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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL
PERU
TEMA:
LABORATORIO I
VISCOSIDAD DE UN FLUIDO
Alumnos:
Félix Adolfo Guitton Teran U17100618
Pool Hilari Cabrera U18209085
Gonzalo R. Canaza Carpio U18212575
Lucimar Gabriela Challapa Castro U17211288
Fabricio Alexander Gama Quispe u19220687
Curso:
MECÁNICA DE FLUIDOS
Docente:
ING. MARÍA MANCHEGO CASAPIA
Sección:
10841
Turno:
Diurno
Arequipa - Perú
2021
Contenido
10841........................................................................................................................1
Diurno.......................................................................................................................1
1. INTRODUCCIÓN...................................................................................................3
2. OBJETIVOS............................................................................................................4
3. MARCO TEÓRICO................................................................................................4
3.1. LEYES DE STOKES ...........................................................................................4
4. FUNDAMENTO Y FÓRMULAS................................................................................5
4.1. ECUACIÓN DE STOKES Y FUERZA DE ARRASTRE..........................................5
4.2. NÚMERO DE REYNOLDS (RE):.......................................................................8
4.3. CORRECCIÓN DE LA VELOCIDAD...............................................................8
4.4. COEFICIENTE DE ARRASTRE..........................................................................9
4.5. ECUACIONES DE OSEEN (Re = 0.2 – 5) ........................................................9
4.6. EQUIPO DE VISCOSIDAD Y ARRASTRE DE PARTICULAS.............................10
4.6.1. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES .................................................10
4.6.2. DESCRIPCIÓN.......................................................................................11
4.6.3. CARACTERÍSTICA ESTÁNDAR ..............................................................12
5. PARTE EXPERIMENTAL.........................................................................................12
5.1. EQUIPOS Y MATERIALES..............................................................................12
5.2. PROCEDIMIENTOS.......................................................................................12
6. DATOS Y RESULTADO .........................................................................................14
6.1. DATOS..........................................................................................................14
6.2. OBTENCIÓN DE DATOS...............................................................................14
6.3. RESULTADOS................................................................................................16
6.3.1. CORRECCIÓN DE VELOCIDAD...........................................................16
7. LEY DE STOCK’S..................................................................................................17
8. CONCLUSIONES.................................................................................................22
9. RECOMENDACIONES ........................................................................................22
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................23
LABORATORIO I
VISCOSIDAD DE UN FLUIDO
1. INTRODUCCIÓN
La viscosidad es la propiedad más importante de los fluidos, y por tanto esta
requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. Esta es la
resistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un
mínimo de esfuerzo cortante. La viscosidad de un fluido depende de su
temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad
disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario lo contrario.
Existen diferentes formas de expresar la viscosidad de un fluido, pero las más
importantes son las siguientes: viscosidad absoluta o dinámica, cinemática,
Saybol, Redwoor.
Los líquidos y los gases corresponden a dos tipos diferentes de fluidos. Los
primeros tienen un volumen constante que no puede alterarse
apreciablemente si son sometidos a compresión, por ende, se dice que
son fluidos incompresibles. Los segundos no tienen un volumen propio, sino que
ocupan el del recipiente que los contiene; son fluidos compresibles porque, a
diferencia de los líquidos, sí pueden ser comprimidos.
La viscosidad es aquella propiedad de un fluido por virtud de la cual ofrece
resistencia al corte. Esta se puede clasificar en newtonianos, donde hay una
relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de
deformación resultante, y en no newtonianos, donde tal relación lineal no
existe. La Ley de la viscosidad de Newton afirma que, dada una rapidez de
deformación angular en el fluido, el esfuerzo cortante es directamente
proporcional a la viscosidad.
La resistencia de un fluido al corte depende de su cohesión y de su rapidez de
la transferencia de la cantidad del movimiento molecular. Un líquido, cuyas
moléculas dejan espacios entre ellas mucho más cerradas que las de un gas,
tienen fuerzas cohesivas mucho mayor que un gas. La cohesión parece ser la
causa predominante de la viscosidad en un líquido; y ya que la cohesión
decrece con la temperatura, la viscosidad decrece también.
La viscosidad se determinó a temperatura ambiente, utilizando la ley Stokes.
Con la realización de esta experiencia se quiere determinar la viscosidad
absoluta de tres aceites, el SAE 20W50, SAE 15W40 y SAE 10W30. Esto se logrará
utilizando 3 probetas marcadas con 10 intervalos de 30 cm c/u y se tomará el
tiempo que tarda una esfera en recorrer cada intervalo. Luego se usarán estos
resultados para determinar el a viscosidad experimental de los aceites usados
en la práctica y compararlos con las viscosidades proporcionadas por el
fabricante.
Este informe está estructurado por puntos, que son: Objetivos generales y
específicos, Fundamento teórico referente a la viscosidad, el procedimiento
experimental utilizado, descripción de los equipos e instrumentos requeridos,
Resultados y Finalmente se presenta las conclusiones, recomendaciones y
bibliografías.
2. OBJETIVOS
 Establecer una relación lógica de los cálculos obtenidos en el ensayo y
los valores teóricos propuestos.
 Con ayuda de tablas de viscosidad, identificar qué clase de sustancias
son los líquidos problemas.
 Determinar la viscosidad de un fluido.
 Aplicar la ley de Stokes se encuentra la viscosidad del fluido.
 Determinarla viscosidad del agua potable a través de la caída libre de
una bola de material conocido dentro del Viscosímetro.
 La velocidad límite vl en m/s.
 Con ayuda de la caída de una bola, determinar un viscosímetro.
3. MARCO TEÓRICO
3.1. LEYES DE STOKES
En todos los cuerpos que se mueven en un fluido viscoso actúa una
fuerza resistente que se opone al movimiento. La ley de Stokes expresa
que para cuerpos esféricos el valor de esta fuerza es.
Si consideramos un cuerpo que cae libremente en el seno de un fluido,
al cabo de un cierto tiempo, cuando el peso sea equilibrado por la
fuerza F y por el empuje de Arquímedes, habrá adquirido una velocidad
constante v=v1, llamada velocidad limite es decir según la segunda ley
de newton.
Donde:
ŋ: Es el coeficiente de viscosidad del fluido o
viscosidad absoluta.
𝑟: Es el radio de la esfera.
𝑣: la velocidad de la misma con respecto al
fluido.
Donde:
p y p’: Corresponden a la densidad del
cuerpo y del fluido respectivamente
El primer miembro de la ecuación anterior corresponde al peso de la esfera, el
primer término del miembro de la derecha al empuje del fluido y el segundo
término a la fuerza resistente. A partir de (2) puede obtenerse la siguiente
expresión para viscosidad:
Si las magnitudes utilizadas en la ecuación (3) se expresan en el sistema
internacional, las unidades de ŋ quedan expresadas en poises (1P= 1 g*cm-1*s-
1).
La ecuación (3) puede escribirse como:
La ecuación anterior indica que el valor de la velocidad límite tendrá una
relación lineal con el cuadrado del radio de la esfera. Por otra parte, la
pendiente de la recta v1 vs. r2 estará relacionada con la viscosidad del fluido.
4. FUNDAMENTO Y FÓRMULAS
4.1. ECUACIÓN DE STOKES Y FUERZA DE ARRASTRE
En todo cuerpo que se mueve en un líquido actúa una fuerza de
rozamiento de sentido opuesto al movimiento. Su valor es función de la
geometría del cuerpo, de su velocidad y del rozamiento interno del
líquido. Una medida del rozamiento interno la da la viscosidad dinámica
η. Para una bola de radio r y velocidad v en un líquido infinitamente
extenso de viscosidad dinámica η, G. G. Stokes calculó la fuerza de
rozamiento como:
También puede expresarse de la siguiente forma:
Si la bola cae verticalmente en el líquido, luego de un cierto tiempo se moverá
con velocidad constante v y todas las fuerzas que actúan sobre ella se
encontrarán en equilibrio: la fuerza ascensional de rozamiento F1, la fuerza
también ascensional.
y la fuerza del peso, que actúa hacia abajo.
Para este caso:
Donde:
ρ1: Densidad del líquido
ρ2: Densidad de la bola
g: Aceleración de la Gravedad
FIGURA 1: FUERZA DE ARRASTRE
Luego, la viscosidad se puede determinar midiendo la velocidad de caída v.
donde se averigua la velocidad de caída en el segmento s y en el tiempo de
caída t. Entonces, para la viscosidad se tiene:
La ecuación (I) debe ser corregida en la práctica, dado que no es realista
suponer un líquido de extensión infinita y que la distribución de la velocidad de
las partículas del líquido respecto de la superficie de la bola se encuentra
afectada por las dimensiones finitas del líquido. Para el movimiento de la bola
a lo largo del eje de un cilindro de líquido infinitamente largo y de radio R,
entonces:
La ecuación (V) adopta luego la forma:
Si se toma en cuenta la longitud finita L del cilindro de líquido, se agregan otras
correcciones, que son del orden de magnitud:
4.2. NÚMERO DE REYNOLDS (RE):
Durante el siglo XIX, un físico irlandés, Osborne Reynolds experimentó con flujos de
fluidos.
Sus experimentos le condujeron a crear una ecuación que ayuda a simplificar las
variables en muchas ecuaciones de la dinámica de fluidos:
En los experimentos de Reynolds, el valor de D representa el diámetro de un
tubo a través del cual el fluido fluye a una velocidad u En el equipo de Arrastre
de partículas este puede ser directamente sustituido con el diámetro de la
esfera que pasa a través del fluido a una velocidad terminal, así la ecuación
de Reynolds se convierte en:
La ecuación debería mostrar para cualquier velocidad dada, bajas
velocidades, densidades de fluidos o pequeños diámetros de esfera debe
resultar un numero de Reynolds bajo. Alternativamente, cuando todos los otros
factores permanecen constantes, una alta viscosidad de fluido debe dar
también un numero de Reynolds bajo.
4.3. CORRECCIÓN DE LA VELOCIDAD
Como se mostró antes, la teoría de Stokes y otros fluidos viscosos aplica
a esferas pequeñas en volúmenes líquidos comparativamente grandes.
Los libros de texto establecen que el diámetro del recipiente que lo
contiene debe ser 100 veces mayor que la esfera que cae, lo cual es
impráctico para la mayoría de pruebas. Esta razón grande debería
permitir al fluido expandirse libremente alrededor del objeto que cae.
Sin embargo, en un tubo de vidrio común, el fluido no puede expandirse
libremente, estando restringido ligeramente al diámetro interior del tubo.
Esto reduce “artificialmente” la velocidad. Un tubo más delgado o un
diámetro mayor de la muestra incrementa este efecto, como lo hace la
distancia sobre la cual la restricción aplica.
Para corregir este problema puedes multiplicar la velocidad promedio
proveniente de los experimentos por un factor de corrección que se
permite para el diámetro de la esfera y las dimensiones del tubo. Esto te
dará un valor corregido para la velocidad (V. corregida) y un valor más
certero para Vt:
4.4. COEFICIENTE DE ARRASTRE
Esta es una cantidad adimensional que representa el arrastre en las
formas de un área frontal dad que se mueve en un fluido dado. Como
la fuerza de arrastre, un coeficiente de arrastre más bajo indica que la
forma que se mueve a través del fluido con mayor facilidad que si
tuviera un alto coeficiente de arrastre. Sin embargo, la fuerza de arrastre
es única a esfera dada y a una combinación de fluido, mientras que el
coeficiente de arrastre ayuda a comparar l arrastre entre diferentes
formas de una dada área frontal. Viga que esta soportada por dos
apoyos simples en los extremos y que permite el libre movimiento de
dilatación y flexión.
4.5. ECUACIONES DE OSEEN (Re = 0.2 – 5)
A comienzos del siglo XX, un físico sueco – Carl Oseen experimentó con flujos
viscosos con números de Reynolds pequeños. El identificó una ecuación más
certera para la viscosidad para números de Reynolds entre 0.2 y 5, permitiendo
la “aceleración convectiva”, dando:
FIGURA 2: MEDICIÓN DE VISCOSIDAD
También, para la fuerza de arrastre friccional:
Número de Reynolds:
Coeficiente de arrastre:
4.6. EQUIPO DE VISCOSIDAD Y ARRASTRE DE PARTICULAS
Demuestra el coeficiente de arrastre de diferentes tamaños de
partículas (esferas) y la viscosidad de líquidos.
4.6.1. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES
Viscosímetro de esfera descendente para experimentos en
coeficiente de arrastre y viscosidad del fluido
Dos tubos de vidrio transparentes permiten a los estudiantes comparar
simultáneamente diferentes fluidos, sin necesidad de vaciar y rellenar.
Luz de fondo segura y de bajo voltaje para que los estudiantes
puedan ver la caída de esferas a través de fluidos oscuros
El exclusivo sistema de salida de válvula permite a los estudiantes
recuperar esferas de prueba con una mínima pérdida del fluido.
Incluye esferas de prueba de diferentes tamaños y densidades para
ayudar a coincidir con una gama de fluidos de prueba
Incluye cronómetro y marcas de tiempo para resultados precisos
Resultados de aprendizaje.
Demostración visual de la viscosidad simultáneamente en dos
diferentes fluidos.
Determinación del coeficiente de arrastre de varias esferas.
Determinación de la viscosidad de diferentes fluidos.
4.6.2. DESCRIPCIÓN
El aparato de viscosidad y arrastre de partículas es un simple viscosímetro de
esfera descendente. La unidad independiente sostiene dos tubos de vidrio
llenos con los fluidos de prueba, para comparar y para minimizar el drenaje y
rellenado de los fluidos después de la experimentación. La placa posterior
tiene una luz de fondo bajo voltaje. para que los estudiantes puedan ver
fácilmente las esferas de prueba a través del fluido.
Los estudiantes llenan los dos tubos con el fluido de prueba elegido, luego
seleccionan una esfera de la densidad y el tamaño correctos para el fluido.
Dejan caer la esfera en el fluido de prueba en la parte superior del tubo de
vidrio. Luego usan un cronómetro (incluido) para medir el tiempo que tarda la
esfera en caer una distancia establecida por el tubo Cuando la esfera de
prueba llega al fondo del tubo, entra en una válvula que los estudiantes giran,
dejando caer la esfera en un vial de recogida para recuperarla.
El sistema de válvulas minimiza la pérdida de líquido del tubo y ayuda a drenar
el tubo después de completar las pruebas.
Los estudiantes también pueden hacer de otros objetos o formas para
evaluarlas en la unidad. Los objetos deben pasar a través de la válvula en la
base (máximo 8 mm en cualquier dimensión individual).
Los fluidos de prueba adecuados incluyen agua, aceite de máquina, aceite
de ricino y aceite de motor. El aparato se puede usar con cualquier fluido que
pueda manejarse con seguridad y sea químicamente compatible con las
partes húmedas del equipo – vidrio y PTFE.
4.6.3. CARACTERÍSTICA ESTÁNDAR
 Se suministra una guía de usuario completa.
 Garantía de cinco años.
 Fabricado de acuerdo con los últimas Directivas sindicales
europeas.
5. PARTE EXPERIMENTAL
5.1. EQUIPOS Y MATERIALES
5.2. PROCEDIMIENTOS
 Registre la temperatura del fluido y la densidad.
 Medir el tiempo de descenso de las esferas idénticas para
ayudar a encontrar una buena velocidad promedio y medir
la precisión del diámetro frontal de las esferas.
 Establezca la altura de caída adecuada.
 Con el cronómetro medir el tiempo, y soltar suavemente la
esfera, teniendo cuidado de no permitir que gire.
Equipo de
viscosidad
y arrastre de
partículas H410
Flexómetro
Cronómetro Termómetro
Esferas Agua
Cuando un objeto se mueve a lo largo de un fluido y su velocidad se vuelve
constante debido a la relación entre el arrastre debido a las propiedades del
fluido y la fuerza que empuja el objeto, entonces ha alcanzado su velocidad
terminal.
- Datos:
Vpromedio 0.089041027
ρ esfera (kg/m3) 1150
Ø esfera mm 3
ρ fluido (kg/m3) 998.2
Ø probeta mm 51
L (m) 1
FLUIDO
DENSIDAD
(Kg/m3)
VISCOSIDAD
DINAMICA
(N.s/m2)
VISCOSIDAD
CINEMATICA
(s.m2)
VISCOSIDAD
CINEMATICA
(CSt)
Agua limpia 998.2 0.001002 0.000001004 1.004
Aceite p/. motor 900 0.319 0.003544 354.4
Aceite de ricino 961 0.985 0.0010249 1024.9
FIGURA 3: VELOCIDAD TERMINAL
6. DATOS Y RESULTADO
6.1. DATOS
6.2. OBTENCIÓN DE DATOS
N° L (m) T (s) V (m/s)
1 1 10.91 0.092
2 1 11.38 0.088
3 1 11.15 0.09
4 1 11.44 0.087
5 1 11.29 0.089
PROMEDIO 11.234 0.0892
FIGURA 4: PRESENTACION DE LOS MATERIALES
FIGURA 6: ENSAYO PUESTO EN MARCHA
FIGURA 5: MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA DEL AGUA
FIGURA 7: TOMA DE TIEMPO QUE TARDA EN DESCENDER
LA BOLA DE NAILO
6.3. RESULTADOS
6.3.1. CORRECCIÓN DE VELOCIDAD
Usando la ecuación se corrigió la velocidad en la prueba realizada.
FIGURA 8: LLENADO DE DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO
FIGURA 9: SE PROCEDE A REALIZAR LOS CÁLCULOS CON
LOS DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO
7. LEY DE STOCK’S
La ecuación de Stokes solo funciona con precisión bajo ciertos supuestos y
condiciones
Determinación de la viscosidad de un fluido
EXPERIMENTO
VELOCIDAD
MEDIA (VM)
VELOCIDAD
CORREGIDA (VC)
1 0.089 0.1
r = Radio de la esfera
g= Gravedad
Vcorr = Velocidad Corregida
Determinación del número de Reynolds
Determinación del coeficiente de arrastre
Número de
Reynolds
Coeficiente
de
Arrastre
<0.2
de 0.2 a 0.5
Por encima de
Re = 100
a. ERROR ENCONTRADO CON RESPECTO A LA VISCOSIDAD TEÓRICA
Viscosidad experimental
 ¿Cuándo se utiliza ecuaciones de Stokes para determinar la
viscosidad de un fluido?
En general las ecuaciones de Stokes se utilizan en el movimiento
de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades
bajas.
La ley de Stokes puede escribirse como:
Donde R es el radio de la esfera, v su velocidad y n la viscosidad del
fluido.
La condición de bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo
cual puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el
medio inferior a un cierto valor crítico. En estas condiciones la resistencia
que ofrece el medio es debida casi exclusivamente a las fuerzas de
rozamiento que se oponen al deslizamiento de unas capas de fluido
sobre otras a partir de la capa límite adherida al cuerpo. La ley de
Stokes se ha comprobado experimentalmente en multitud de fluidos y
condiciones.
Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su
propio peso puede calcularse su velocidad de caída o sedimentación
igualando la fuerza de fricción con el peso aparente de la partícula en el
fluido.
 ¿Cuándo se utiliza las ecuaciones de Oseen para determinar la
viscosidad de un fluido?
Estas se utilizan en lugar de las ecuaciones de Stokes para una mayor
precisión cuando el número de Reynolds está entre 0,2 y 5.
Para el aparato H410, se puede utilizar la ecuación 10 con la
velocidad calculada (después de la corrección) para confirmar si es
factible utilizar las ecuaciones de Oseens, con el fin de encontrar la
viscosidad, el arrastre, el número de Reynolds y el coeficiente de
arrastre.
 El intervalo de dónde la viscosidad experimental se acerca a la
viscosidad teórica
 Graficar la velocidad corregida en función al tiempo para cada uno
de los datos de la tabla 3.
Tiempo de
Arrastre
Vcorregida
10.91 0.10058729
11.38 0.10058729
11.15 0.10058729
11.44 0.10058729
11.29 0.10058729
11.234 0.10058729
Dónde:
Vs: Velocidad de caída de las partículas (velocidad límite)
g: Aceleración de la gravedad
ρp: Densidad de las partículas
ρf: Densidad del fluido
N: Viscosidad del fluido
r: Radio equivalente de la partícula
Viscosidad
Viscosidad teórica
Como se puede observar nos da una gráfica constante ya que la Vcorr es
igual para cada uno de los tiempos de arrastre.
 Graficar la velocidad observada en función del tiempo para cada
uno de los datos de la tabla 3.
Tiempo de
Arrastre (s)
Velocidad
(m/s2)
10.91 0.0917
11.38 0.0879
11.15 0.0897
11.44 0.0874
11.29 0.0886
11.234 0.089
Como se puede observar nos da una gráfica lineal dado a que la
velocidad varia con el tiempo
8. CONCLUSIONES
 En la comparación de la viscosidad teoría del agua se obtuvo un
error del 62%
 La viscosidad (0.00726) Pa.s está por encima de la viscosidad del
agua por lo tanto se debe tener cuidado al calcular y experimentar
para no cometer errores.
 Los datos obtenidos de este laboratorio son de una viscosidad
fingida y no de la viscosidad real del agua.
 La velocidad con la que se mueve la esfera en el líquido, resulta
determinante para el posterior cálculo de la viscosidad.
 Se encontró el valor del coeficiente de Reynolds siendo 40.26 por
laminar lo cual tiene un movimiento ordenado, estratificado y suave.
 Estos resultados muestran una comparación razonable con la
viscosidad nominal del agua, considerando también la magnitud
(hasta tres decimales) en comparación con otros fluidos. Por lo tanto,
la combinación de esfera y fluido no es perfecta (una esfera menos
densa o más pequeña puede ser mejor), pero funciona
razonablemente bien con las ecuaciones de Oseen’s. El coeficiente
de arrastre es bajo como se esperaría, por lo tanto, será un fluido de
muy baja viscosidad.
9. RECOMENDACIONES
 Visualizar la limpieza de los equipos de trabajo ya que si existe una
sustancia que esta fuera de lo establecido por el laboratorio pueda
cambiar datos obteniendo malos cálculos a la hora de realizar este
laboratorio.
 Se recomienda tomar datos con la mayor precisión posible, y verificar si
los equipos de medición no estén mal calibrados o en el peor de los
casos malogrados.
 Se recomienda repetir las mediciones para disminuir el error y discriminar
algún dato erróneo.
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Eugene A. Avallone, Theodore Bauemeister III, Manual del Ing.
Mecánico, Tercera Edición. Editorial McGraw-Hill, 1999.
Víctor L. Streeter Mecánica de los Fluidos, Editorial Mc Hill, Novena
Edición.
Jaime Zapata Guía para laboratorio de Mecánica de Fluidos, Guayana
1989.
Gerhart, R. Groos y J. Hochstein Fundamentos de Mecánica de los
Fluidos. (1995) Wilmington, Delaware, USA. Addison-Wesley
Iberoamericano, S.A. Segunda Edición.
Raymond A.serway, john w.jewett. Física para ciencias e ingeniería.
México:
cengage leaning, 2008
TRUJILLO, Sonia y MOLINA,Raúl. (2006). Trazabilidad De Las Mediciones
De
VALVERDE Luis c. Determinación de viscosidad. Universidad de
Atacama,
Colombia, universidad nacional de facultad de ingeniería y
arquitectura. Curso
interativo de fisica.
J. H. Dymond y R. Malhotra.1988. The Tait eqution:100 Years On.
International
Journal of Thermophysics, Vol. 9, No.
KAJDASC. KARPINSKAA. Y KALEZYCKI A..(2010). Chemestry and
Tecnology of Lubricants. (TerceraEdición). Springer Science+Business
Media B.V
VISCOSIDAD DE LIQUIDOS
https://apuntes-ing-mecanica.blogspot.com/2016/08/tablas-viscosidad.html

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  • 1. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU TEMA: LABORATORIO I VISCOSIDAD DE UN FLUIDO Alumnos: Félix Adolfo Guitton Teran U17100618 Pool Hilari Cabrera U18209085 Gonzalo R. Canaza Carpio U18212575 Lucimar Gabriela Challapa Castro U17211288 Fabricio Alexander Gama Quispe u19220687 Curso: MECÁNICA DE FLUIDOS Docente: ING. MARÍA MANCHEGO CASAPIA Sección: 10841 Turno: Diurno Arequipa - Perú 2021
  • 2. Contenido 10841........................................................................................................................1 Diurno.......................................................................................................................1 1. INTRODUCCIÓN...................................................................................................3 2. OBJETIVOS............................................................................................................4 3. MARCO TEÓRICO................................................................................................4 3.1. LEYES DE STOKES ...........................................................................................4 4. FUNDAMENTO Y FÓRMULAS................................................................................5 4.1. ECUACIÓN DE STOKES Y FUERZA DE ARRASTRE..........................................5 4.2. NÚMERO DE REYNOLDS (RE):.......................................................................8 4.3. CORRECCIÓN DE LA VELOCIDAD...............................................................8 4.4. COEFICIENTE DE ARRASTRE..........................................................................9 4.5. ECUACIONES DE OSEEN (Re = 0.2 – 5) ........................................................9 4.6. EQUIPO DE VISCOSIDAD Y ARRASTRE DE PARTICULAS.............................10 4.6.1. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES .................................................10 4.6.2. DESCRIPCIÓN.......................................................................................11 4.6.3. CARACTERÍSTICA ESTÁNDAR ..............................................................12 5. PARTE EXPERIMENTAL.........................................................................................12 5.1. EQUIPOS Y MATERIALES..............................................................................12 5.2. PROCEDIMIENTOS.......................................................................................12 6. DATOS Y RESULTADO .........................................................................................14 6.1. DATOS..........................................................................................................14 6.2. OBTENCIÓN DE DATOS...............................................................................14 6.3. RESULTADOS................................................................................................16 6.3.1. CORRECCIÓN DE VELOCIDAD...........................................................16 7. LEY DE STOCK’S..................................................................................................17 8. CONCLUSIONES.................................................................................................22 9. RECOMENDACIONES ........................................................................................22 10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................23
  • 3. LABORATORIO I VISCOSIDAD DE UN FLUIDO 1. INTRODUCCIÓN La viscosidad es la propiedad más importante de los fluidos, y por tanto esta requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. Esta es la resistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un mínimo de esfuerzo cortante. La viscosidad de un fluido depende de su temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario lo contrario. Existen diferentes formas de expresar la viscosidad de un fluido, pero las más importantes son las siguientes: viscosidad absoluta o dinámica, cinemática, Saybol, Redwoor. Los líquidos y los gases corresponden a dos tipos diferentes de fluidos. Los primeros tienen un volumen constante que no puede alterarse apreciablemente si son sometidos a compresión, por ende, se dice que son fluidos incompresibles. Los segundos no tienen un volumen propio, sino que ocupan el del recipiente que los contiene; son fluidos compresibles porque, a diferencia de los líquidos, sí pueden ser comprimidos. La viscosidad es aquella propiedad de un fluido por virtud de la cual ofrece resistencia al corte. Esta se puede clasificar en newtonianos, donde hay una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante, y en no newtonianos, donde tal relación lineal no existe. La Ley de la viscosidad de Newton afirma que, dada una rapidez de deformación angular en el fluido, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad. La resistencia de un fluido al corte depende de su cohesión y de su rapidez de la transferencia de la cantidad del movimiento molecular. Un líquido, cuyas moléculas dejan espacios entre ellas mucho más cerradas que las de un gas, tienen fuerzas cohesivas mucho mayor que un gas. La cohesión parece ser la causa predominante de la viscosidad en un líquido; y ya que la cohesión decrece con la temperatura, la viscosidad decrece también. La viscosidad se determinó a temperatura ambiente, utilizando la ley Stokes. Con la realización de esta experiencia se quiere determinar la viscosidad absoluta de tres aceites, el SAE 20W50, SAE 15W40 y SAE 10W30. Esto se logrará utilizando 3 probetas marcadas con 10 intervalos de 30 cm c/u y se tomará el tiempo que tarda una esfera en recorrer cada intervalo. Luego se usarán estos resultados para determinar el a viscosidad experimental de los aceites usados en la práctica y compararlos con las viscosidades proporcionadas por el fabricante. Este informe está estructurado por puntos, que son: Objetivos generales y específicos, Fundamento teórico referente a la viscosidad, el procedimiento experimental utilizado, descripción de los equipos e instrumentos requeridos, Resultados y Finalmente se presenta las conclusiones, recomendaciones y bibliografías.
  • 4. 2. OBJETIVOS  Establecer una relación lógica de los cálculos obtenidos en el ensayo y los valores teóricos propuestos.  Con ayuda de tablas de viscosidad, identificar qué clase de sustancias son los líquidos problemas.  Determinar la viscosidad de un fluido.  Aplicar la ley de Stokes se encuentra la viscosidad del fluido.  Determinarla viscosidad del agua potable a través de la caída libre de una bola de material conocido dentro del Viscosímetro.  La velocidad límite vl en m/s.  Con ayuda de la caída de una bola, determinar un viscosímetro. 3. MARCO TEÓRICO 3.1. LEYES DE STOKES En todos los cuerpos que se mueven en un fluido viscoso actúa una fuerza resistente que se opone al movimiento. La ley de Stokes expresa que para cuerpos esféricos el valor de esta fuerza es. Si consideramos un cuerpo que cae libremente en el seno de un fluido, al cabo de un cierto tiempo, cuando el peso sea equilibrado por la fuerza F y por el empuje de Arquímedes, habrá adquirido una velocidad constante v=v1, llamada velocidad limite es decir según la segunda ley de newton. Donde: ŋ: Es el coeficiente de viscosidad del fluido o viscosidad absoluta. 𝑟: Es el radio de la esfera. 𝑣: la velocidad de la misma con respecto al fluido. Donde: p y p’: Corresponden a la densidad del cuerpo y del fluido respectivamente
  • 5. El primer miembro de la ecuación anterior corresponde al peso de la esfera, el primer término del miembro de la derecha al empuje del fluido y el segundo término a la fuerza resistente. A partir de (2) puede obtenerse la siguiente expresión para viscosidad: Si las magnitudes utilizadas en la ecuación (3) se expresan en el sistema internacional, las unidades de ŋ quedan expresadas en poises (1P= 1 g*cm-1*s- 1). La ecuación (3) puede escribirse como: La ecuación anterior indica que el valor de la velocidad límite tendrá una relación lineal con el cuadrado del radio de la esfera. Por otra parte, la pendiente de la recta v1 vs. r2 estará relacionada con la viscosidad del fluido. 4. FUNDAMENTO Y FÓRMULAS 4.1. ECUACIÓN DE STOKES Y FUERZA DE ARRASTRE En todo cuerpo que se mueve en un líquido actúa una fuerza de rozamiento de sentido opuesto al movimiento. Su valor es función de la geometría del cuerpo, de su velocidad y del rozamiento interno del líquido. Una medida del rozamiento interno la da la viscosidad dinámica η. Para una bola de radio r y velocidad v en un líquido infinitamente extenso de viscosidad dinámica η, G. G. Stokes calculó la fuerza de rozamiento como: También puede expresarse de la siguiente forma:
  • 6. Si la bola cae verticalmente en el líquido, luego de un cierto tiempo se moverá con velocidad constante v y todas las fuerzas que actúan sobre ella se encontrarán en equilibrio: la fuerza ascensional de rozamiento F1, la fuerza también ascensional. y la fuerza del peso, que actúa hacia abajo. Para este caso: Donde: ρ1: Densidad del líquido ρ2: Densidad de la bola g: Aceleración de la Gravedad FIGURA 1: FUERZA DE ARRASTRE
  • 7. Luego, la viscosidad se puede determinar midiendo la velocidad de caída v. donde se averigua la velocidad de caída en el segmento s y en el tiempo de caída t. Entonces, para la viscosidad se tiene: La ecuación (I) debe ser corregida en la práctica, dado que no es realista suponer un líquido de extensión infinita y que la distribución de la velocidad de las partículas del líquido respecto de la superficie de la bola se encuentra afectada por las dimensiones finitas del líquido. Para el movimiento de la bola a lo largo del eje de un cilindro de líquido infinitamente largo y de radio R, entonces: La ecuación (V) adopta luego la forma: Si se toma en cuenta la longitud finita L del cilindro de líquido, se agregan otras correcciones, que son del orden de magnitud:
  • 8. 4.2. NÚMERO DE REYNOLDS (RE): Durante el siglo XIX, un físico irlandés, Osborne Reynolds experimentó con flujos de fluidos. Sus experimentos le condujeron a crear una ecuación que ayuda a simplificar las variables en muchas ecuaciones de la dinámica de fluidos: En los experimentos de Reynolds, el valor de D representa el diámetro de un tubo a través del cual el fluido fluye a una velocidad u En el equipo de Arrastre de partículas este puede ser directamente sustituido con el diámetro de la esfera que pasa a través del fluido a una velocidad terminal, así la ecuación de Reynolds se convierte en: La ecuación debería mostrar para cualquier velocidad dada, bajas velocidades, densidades de fluidos o pequeños diámetros de esfera debe resultar un numero de Reynolds bajo. Alternativamente, cuando todos los otros factores permanecen constantes, una alta viscosidad de fluido debe dar también un numero de Reynolds bajo. 4.3. CORRECCIÓN DE LA VELOCIDAD Como se mostró antes, la teoría de Stokes y otros fluidos viscosos aplica a esferas pequeñas en volúmenes líquidos comparativamente grandes. Los libros de texto establecen que el diámetro del recipiente que lo contiene debe ser 100 veces mayor que la esfera que cae, lo cual es impráctico para la mayoría de pruebas. Esta razón grande debería permitir al fluido expandirse libremente alrededor del objeto que cae. Sin embargo, en un tubo de vidrio común, el fluido no puede expandirse libremente, estando restringido ligeramente al diámetro interior del tubo. Esto reduce “artificialmente” la velocidad. Un tubo más delgado o un diámetro mayor de la muestra incrementa este efecto, como lo hace la distancia sobre la cual la restricción aplica. Para corregir este problema puedes multiplicar la velocidad promedio proveniente de los experimentos por un factor de corrección que se permite para el diámetro de la esfera y las dimensiones del tubo. Esto te dará un valor corregido para la velocidad (V. corregida) y un valor más certero para Vt:
  • 9. 4.4. COEFICIENTE DE ARRASTRE Esta es una cantidad adimensional que representa el arrastre en las formas de un área frontal dad que se mueve en un fluido dado. Como la fuerza de arrastre, un coeficiente de arrastre más bajo indica que la forma que se mueve a través del fluido con mayor facilidad que si tuviera un alto coeficiente de arrastre. Sin embargo, la fuerza de arrastre es única a esfera dada y a una combinación de fluido, mientras que el coeficiente de arrastre ayuda a comparar l arrastre entre diferentes formas de una dada área frontal. Viga que esta soportada por dos apoyos simples en los extremos y que permite el libre movimiento de dilatación y flexión. 4.5. ECUACIONES DE OSEEN (Re = 0.2 – 5) A comienzos del siglo XX, un físico sueco – Carl Oseen experimentó con flujos viscosos con números de Reynolds pequeños. El identificó una ecuación más certera para la viscosidad para números de Reynolds entre 0.2 y 5, permitiendo la “aceleración convectiva”, dando: FIGURA 2: MEDICIÓN DE VISCOSIDAD
  • 10. También, para la fuerza de arrastre friccional: Número de Reynolds: Coeficiente de arrastre: 4.6. EQUIPO DE VISCOSIDAD Y ARRASTRE DE PARTICULAS Demuestra el coeficiente de arrastre de diferentes tamaños de partículas (esferas) y la viscosidad de líquidos. 4.6.1. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES
  • 11. Viscosímetro de esfera descendente para experimentos en coeficiente de arrastre y viscosidad del fluido Dos tubos de vidrio transparentes permiten a los estudiantes comparar simultáneamente diferentes fluidos, sin necesidad de vaciar y rellenar. Luz de fondo segura y de bajo voltaje para que los estudiantes puedan ver la caída de esferas a través de fluidos oscuros El exclusivo sistema de salida de válvula permite a los estudiantes recuperar esferas de prueba con una mínima pérdida del fluido. Incluye esferas de prueba de diferentes tamaños y densidades para ayudar a coincidir con una gama de fluidos de prueba Incluye cronómetro y marcas de tiempo para resultados precisos Resultados de aprendizaje. Demostración visual de la viscosidad simultáneamente en dos diferentes fluidos. Determinación del coeficiente de arrastre de varias esferas. Determinación de la viscosidad de diferentes fluidos. 4.6.2. DESCRIPCIÓN El aparato de viscosidad y arrastre de partículas es un simple viscosímetro de esfera descendente. La unidad independiente sostiene dos tubos de vidrio llenos con los fluidos de prueba, para comparar y para minimizar el drenaje y rellenado de los fluidos después de la experimentación. La placa posterior tiene una luz de fondo bajo voltaje. para que los estudiantes puedan ver fácilmente las esferas de prueba a través del fluido. Los estudiantes llenan los dos tubos con el fluido de prueba elegido, luego seleccionan una esfera de la densidad y el tamaño correctos para el fluido. Dejan caer la esfera en el fluido de prueba en la parte superior del tubo de vidrio. Luego usan un cronómetro (incluido) para medir el tiempo que tarda la esfera en caer una distancia establecida por el tubo Cuando la esfera de prueba llega al fondo del tubo, entra en una válvula que los estudiantes giran, dejando caer la esfera en un vial de recogida para recuperarla. El sistema de válvulas minimiza la pérdida de líquido del tubo y ayuda a drenar el tubo después de completar las pruebas. Los estudiantes también pueden hacer de otros objetos o formas para evaluarlas en la unidad. Los objetos deben pasar a través de la válvula en la base (máximo 8 mm en cualquier dimensión individual). Los fluidos de prueba adecuados incluyen agua, aceite de máquina, aceite de ricino y aceite de motor. El aparato se puede usar con cualquier fluido que pueda manejarse con seguridad y sea químicamente compatible con las partes húmedas del equipo – vidrio y PTFE.
  • 12. 4.6.3. CARACTERÍSTICA ESTÁNDAR  Se suministra una guía de usuario completa.  Garantía de cinco años.  Fabricado de acuerdo con los últimas Directivas sindicales europeas. 5. PARTE EXPERIMENTAL 5.1. EQUIPOS Y MATERIALES 5.2. PROCEDIMIENTOS  Registre la temperatura del fluido y la densidad.  Medir el tiempo de descenso de las esferas idénticas para ayudar a encontrar una buena velocidad promedio y medir la precisión del diámetro frontal de las esferas.  Establezca la altura de caída adecuada.  Con el cronómetro medir el tiempo, y soltar suavemente la esfera, teniendo cuidado de no permitir que gire. Equipo de viscosidad y arrastre de partículas H410 Flexómetro Cronómetro Termómetro Esferas Agua
  • 13. Cuando un objeto se mueve a lo largo de un fluido y su velocidad se vuelve constante debido a la relación entre el arrastre debido a las propiedades del fluido y la fuerza que empuja el objeto, entonces ha alcanzado su velocidad terminal. - Datos: Vpromedio 0.089041027 ρ esfera (kg/m3) 1150 Ø esfera mm 3 ρ fluido (kg/m3) 998.2 Ø probeta mm 51 L (m) 1 FLUIDO DENSIDAD (Kg/m3) VISCOSIDAD DINAMICA (N.s/m2) VISCOSIDAD CINEMATICA (s.m2) VISCOSIDAD CINEMATICA (CSt) Agua limpia 998.2 0.001002 0.000001004 1.004 Aceite p/. motor 900 0.319 0.003544 354.4 Aceite de ricino 961 0.985 0.0010249 1024.9 FIGURA 3: VELOCIDAD TERMINAL
  • 14. 6. DATOS Y RESULTADO 6.1. DATOS 6.2. OBTENCIÓN DE DATOS N° L (m) T (s) V (m/s) 1 1 10.91 0.092 2 1 11.38 0.088 3 1 11.15 0.09 4 1 11.44 0.087 5 1 11.29 0.089 PROMEDIO 11.234 0.0892 FIGURA 4: PRESENTACION DE LOS MATERIALES
  • 15. FIGURA 6: ENSAYO PUESTO EN MARCHA FIGURA 5: MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA DEL AGUA FIGURA 7: TOMA DE TIEMPO QUE TARDA EN DESCENDER LA BOLA DE NAILO
  • 16. 6.3. RESULTADOS 6.3.1. CORRECCIÓN DE VELOCIDAD Usando la ecuación se corrigió la velocidad en la prueba realizada. FIGURA 8: LLENADO DE DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO FIGURA 9: SE PROCEDE A REALIZAR LOS CÁLCULOS CON LOS DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO
  • 17. 7. LEY DE STOCK’S La ecuación de Stokes solo funciona con precisión bajo ciertos supuestos y condiciones Determinación de la viscosidad de un fluido EXPERIMENTO VELOCIDAD MEDIA (VM) VELOCIDAD CORREGIDA (VC) 1 0.089 0.1 r = Radio de la esfera g= Gravedad Vcorr = Velocidad Corregida
  • 18. Determinación del número de Reynolds Determinación del coeficiente de arrastre Número de Reynolds Coeficiente de Arrastre <0.2 de 0.2 a 0.5 Por encima de Re = 100
  • 19. a. ERROR ENCONTRADO CON RESPECTO A LA VISCOSIDAD TEÓRICA Viscosidad experimental  ¿Cuándo se utiliza ecuaciones de Stokes para determinar la viscosidad de un fluido? En general las ecuaciones de Stokes se utilizan en el movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas. La ley de Stokes puede escribirse como: Donde R es el radio de la esfera, v su velocidad y n la viscosidad del fluido. La condición de bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo cual puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el medio inferior a un cierto valor crítico. En estas condiciones la resistencia que ofrece el medio es debida casi exclusivamente a las fuerzas de rozamiento que se oponen al deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a partir de la capa límite adherida al cuerpo. La ley de Stokes se ha comprobado experimentalmente en multitud de fluidos y condiciones.
  • 20. Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su propio peso puede calcularse su velocidad de caída o sedimentación igualando la fuerza de fricción con el peso aparente de la partícula en el fluido.  ¿Cuándo se utiliza las ecuaciones de Oseen para determinar la viscosidad de un fluido? Estas se utilizan en lugar de las ecuaciones de Stokes para una mayor precisión cuando el número de Reynolds está entre 0,2 y 5. Para el aparato H410, se puede utilizar la ecuación 10 con la velocidad calculada (después de la corrección) para confirmar si es factible utilizar las ecuaciones de Oseens, con el fin de encontrar la viscosidad, el arrastre, el número de Reynolds y el coeficiente de arrastre.  El intervalo de dónde la viscosidad experimental se acerca a la viscosidad teórica  Graficar la velocidad corregida en función al tiempo para cada uno de los datos de la tabla 3. Tiempo de Arrastre Vcorregida 10.91 0.10058729 11.38 0.10058729 11.15 0.10058729 11.44 0.10058729 11.29 0.10058729 11.234 0.10058729 Dónde: Vs: Velocidad de caída de las partículas (velocidad límite) g: Aceleración de la gravedad ρp: Densidad de las partículas ρf: Densidad del fluido N: Viscosidad del fluido r: Radio equivalente de la partícula Viscosidad Viscosidad teórica
  • 21. Como se puede observar nos da una gráfica constante ya que la Vcorr es igual para cada uno de los tiempos de arrastre.  Graficar la velocidad observada en función del tiempo para cada uno de los datos de la tabla 3. Tiempo de Arrastre (s) Velocidad (m/s2) 10.91 0.0917 11.38 0.0879 11.15 0.0897 11.44 0.0874 11.29 0.0886 11.234 0.089
  • 22. Como se puede observar nos da una gráfica lineal dado a que la velocidad varia con el tiempo 8. CONCLUSIONES  En la comparación de la viscosidad teoría del agua se obtuvo un error del 62%  La viscosidad (0.00726) Pa.s está por encima de la viscosidad del agua por lo tanto se debe tener cuidado al calcular y experimentar para no cometer errores.  Los datos obtenidos de este laboratorio son de una viscosidad fingida y no de la viscosidad real del agua.  La velocidad con la que se mueve la esfera en el líquido, resulta determinante para el posterior cálculo de la viscosidad.  Se encontró el valor del coeficiente de Reynolds siendo 40.26 por laminar lo cual tiene un movimiento ordenado, estratificado y suave.  Estos resultados muestran una comparación razonable con la viscosidad nominal del agua, considerando también la magnitud (hasta tres decimales) en comparación con otros fluidos. Por lo tanto, la combinación de esfera y fluido no es perfecta (una esfera menos densa o más pequeña puede ser mejor), pero funciona razonablemente bien con las ecuaciones de Oseen’s. El coeficiente de arrastre es bajo como se esperaría, por lo tanto, será un fluido de muy baja viscosidad. 9. RECOMENDACIONES  Visualizar la limpieza de los equipos de trabajo ya que si existe una sustancia que esta fuera de lo establecido por el laboratorio pueda cambiar datos obteniendo malos cálculos a la hora de realizar este laboratorio.  Se recomienda tomar datos con la mayor precisión posible, y verificar si los equipos de medición no estén mal calibrados o en el peor de los casos malogrados.  Se recomienda repetir las mediciones para disminuir el error y discriminar algún dato erróneo.
  • 23. 10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Eugene A. Avallone, Theodore Bauemeister III, Manual del Ing. Mecánico, Tercera Edición. Editorial McGraw-Hill, 1999. Víctor L. Streeter Mecánica de los Fluidos, Editorial Mc Hill, Novena Edición. Jaime Zapata Guía para laboratorio de Mecánica de Fluidos, Guayana 1989. Gerhart, R. Groos y J. Hochstein Fundamentos de Mecánica de los Fluidos. (1995) Wilmington, Delaware, USA. Addison-Wesley Iberoamericano, S.A. Segunda Edición. Raymond A.serway, john w.jewett. Física para ciencias e ingeniería. México: cengage leaning, 2008 TRUJILLO, Sonia y MOLINA,Raúl. (2006). Trazabilidad De Las Mediciones De VALVERDE Luis c. Determinación de viscosidad. Universidad de Atacama, Colombia, universidad nacional de facultad de ingeniería y arquitectura. Curso interativo de fisica. J. H. Dymond y R. Malhotra.1988. The Tait eqution:100 Years On. International Journal of Thermophysics, Vol. 9, No. KAJDASC. KARPINSKAA. Y KALEZYCKI A..(2010). Chemestry and Tecnology of Lubricants. (TerceraEdición). Springer Science+Business Media B.V