UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES``
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES``
FACULTAD DE INGENIERIAS Y CIENCIAS PURAS CARRERA ACADEMICO PROFESIONAL:
ING. CIVIL
INFORME Nº 03
CURSO
:
LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS
ALUMNO
:
ROJAS APAZA , DALMY JHAROL
DOCENTE
:
ING. HERNAN ALMONTE PILCO
TEMA
:
EMPUJE HIDROSTATICO
SEMESTRE
:
IV – A
FECHA
:
18 de Junio
AÑO ACAD.
:
2010 - I JULIACA 2010
PERU
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES``
La ingeniería es una ciencia en constante desarrollo. A medida que la investigación y la experiencia amplían nuestros conocimientos, se requieren cambios en el uso de los materiales. La hidrostática es la ciencia que estudia las condiciones de equilibrio de los líquidos en reposo.
1.- OBJETIVOS:
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES`` OBJETIVOS GENERALES: Los objetivos a realizarse son: •
•
•
•
•
Aprender y evaluar el correcto uso de los diferentes implementos e instrumentos dados para la practica, teniendo así un conocimiento base para el uso adecuado de estos en próximas ocasiones. Visualizar el efecto de la presión hidrostática sobre una superficie plana y ubicar el centro de presiones, así como demostrar experimentalmente que la presión hidrostática depende únicamente de la profundidad, de igual manera se experimentará para comprender el principio de Arquímedes. Comprender, y asimilar sobre los aspectos y parámetros que rigen el principio de Arquímedes mediante la practica asignada Enlazar los diferentes conceptos teóricos aprendidos con anterioridad a los determinados conceptos necesitados en la practica para así tener una mejor precisión en la recopilación de datos y una adecuada comprensión de los mismos. Estimular un interés apropiado hacia el campo de la física a partir de la practica asignada tomando como estímulo el que esta y otras prácticas nos sirvan en un futuro para la aplicación diaria de nuestra vida además de la importancia que pueda implicar lo anterior.
OBJETIVOS ESPECIFICOS: • •
•
•
•
•
•
•
•
Demostrar el principio de Arquímedes. Definir el empuje hidrostático y enumerar los factores que t ienden a aumentarlo. Comprender, y asimilar sobre los aspectos y parámetros que rigen el principio de Arquímedes mediante la practica asignada. Observar que la superficie libre de un liquido en reposo es siempre horizontal así como el efecto del flujo sobre la superficie libre. También se verificara el principio de Arquímedes. Desarrollar un concepto mas claro avanzado y especifico del que se tomen a partir de la práctica realizada en el laboratorio, con los principios a seguir, y el entendimiento de estos. Aprender y evaluar el correcto uso de los diferentes implementos e instrumentos dados para la practica, teniendo así un conocimiento base para el uso adecuado de estos en próximas ocasiones. Calcular la distribución de presiones hidrostáticas y el empuje que actúasobre una superficie plana. Determinación de la posición del centro de la presión sobre una superficie plana sumergida total o parcialmente. Experimentar haciendo varias mediciones a lo largo del experiemnto.
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES`` •
Analizar las medidas en “X” y “Y” una ves vertido el fluido sobre la superficie.
2.- CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS E INSTRUMENTOS El equipo esta compuesto de los siguientes instrumentos: •
Un recipiente de plexiglás transparente dotado de toberas para la alimentación y la descarga.
•
Regla métrica para la detección de la superficie libre del agua.
•
Dispositivos para el apoyo de la balanza.
•
•
2 perfiles flotadores de forma diversa (con relativos paneles para la fijación a la balanza). El recipiente está apoyado directamente sobre el banco base H89.8D o bien de fuente externa.
3.-FUNDAMENTO TEORICO
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES`` LA HIDROSTÁTICA: Es la parte de la Física que estudia los líquidos en estado de equilibrio. Los cuerpos sólidos sumergidos en un líquido experimentan un empuje hacia arriba. Arquímedes indicó cuál es la magnitud de dicho empuje. De acuerdo con el principio, todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de líquido desalojado. Su principio puede ser obtenido como una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática. Considerando un cuerpo en forma de paralelepípedo, las longitudes de cuyas aristas valen a, b y c metros, siendo c la correspondiente a la arista vertical. Dado que las fuerzas laterales se compensan mutuamente, sólo se considerarán las fuerzas sobre las caras horizontales. Por lo que se puede concluir que: el empuje es una fuerza aplicada de sentido contrario al peso a la que están sometidos todos los cuerpos sumergidos en un fluido o líquido y de acuerdo con el principio de Arquímedes su valor es igual al peso del fluido desalojado.
EL PRINCIPIO DE ARQUIMEDES El tercer experimento realizado fue el del Principio de Arquímedes.
En este experimento se realizaron pesajes en el aparato de Arquímedes de cuatro diferentes masas. La primera masa que se peso fue el cubo y el cilindro esto peso 174 gr la segunda masa que se peso fue el cubo mas el cilindro sumergido en agua pesando 165 gr, la tercera masa fue solamente el cubo pesando 90 gr y la cuarta masa pesada fue el cubo lleno de agua pesando 99 gr. Con ello se demuestra la siguiente ecuación: m1 - m2 = m4 – m3 m1 - m2 = m4 – m3
Con los cálculos de las masas y la comprobación de la formula se demuestra el principio de Arquímedes, de acuerdo con el principio, todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES`` líquido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de líquido desalojado.
4.-EMPLO DE CÁLCULO PARA UN PUNTO EXPERIMENTAL: Para realizar acabo el experimento y tener las lecturas de X y Y correspondientes primero debemos aplicar los siguientes pasos:
1. Monte en la balanza el cuerpo flotador con extremos planos o con extremos chaflanados.
2. Desplace la masa W hasta obtener el equilibrio de la balanza. La masa P debe estar en el cero de la escala.
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES``
3. Ponga la balanza en el recipiente y coloque la regla metálica con el cero en correspondiente del vértice inferior del cuerpo.
4. llene el recipiente de agua hasta leer en la regla una altura y= 130ª 140mm.
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES`` 5. Desplace la masa P hacia la derecha hasta obtener el equilibrio del sistema.
6. Lea el valor de “x” poner en el cuadro las lectura realizada
7. desplace hacia la izquierda el peso d una cantidad fija (20 o 30mm)
8. abra el grifo inferior y descargue el agua hasta obtener de nuevo el equilibrio del sistema.
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES``
9. lea el valor “y” y escribir en el cuadro.
10. Repita las operaciones de 7 a 9 hasta volver a poner la masa P cerca de cero.
5.- TABULACION DE RESULTADOS: Y (mm)
X
117
142
6.7
7.0
118
146
6.8
7.2
115
119
6.4
5.8
S emp.cal .
=
4.9 *
y 2 *10
(mm)
4
−
S calc
(N)
S exp.
=
S exp.
P * x
300 − y 2
(N)
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES`` 6.- OBSERVACIONES: - Estos instrumentos mencionados nos ayudaran a entender mejor el Empuje Hidrostático que existe en los líquidos. - El uso de los instrumentos nos ayudara en la formación y base de la amplia rama de la Ingeniería Civil.
7.- RECOMENDACIONES: - Tanto para los alumnos y el docente sobre la puntualidad y responsabilidad - Tener el respectivo cuidado con los demás instrumentos existentes en el laboratorio de hidráulica de la Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez - Profundizar los estudios en base a este instrumento - Se recomienda utilizar adecuadamente el instrumento para mas adelante poder seguir haciendo nuestros estudios como estudiantes de ingeniería civil. - Tener en cuenta que el instrumento está diseñado para hallar caudales no utilizarlos para otros fines.
8.- CONCLUSIONES: - El aprendizaje sobre el kid para experiencias de hidrostatica es fundamental para entender el comportamiento de los líquidos y poder ver lo que sucede en la realidad teniendo como base la teoría ya aprendida. - Con el instrumento podemos hallar de una manera fácil y practica la comparación entre la teoría y la practica y que casi siempre no resulta ser tan exacta como se indica. - Permite el estudio del comportamiento de un flotador y de los factores que determinan su estabilidad. Un flotador de forma rectangular flota sobre el agua y posee un árbol que tiene un contrapeso el cual suministra sobre la escala graduada, la inclinación del mismo. Se verificara que la inestabilidad se obtiene cuando baricentro y metacentro están ala misma altura.
9.- APORTES: ARQUÍMEDES: Arquímedes: (287-212 A.de.C.), Preeminente matemático griego e inventor que escribió trabajos importantes acerca de la geometría sólida, aritmética, y mecánica. Nació en Siracusa, (Sicilia) y se educó en Alejandría, (Egipto). En la matemática pura, Arquímedes se anticipó a muchos de los descubrimientos de la ciencia moderna, como el cálculo integral, a través de los estudios de las áreas y volúmenes de las figuras sólidas encorvadas y las áreas de las figuras planas. También demostró que el volumen de una esfera es dos-terceras partes del volumen de un cilindro que circunscribe la esfera.
Principio de Arquímedes: Principio descubierto por el científico griego Arquímedes, en donde estando un cuerpo sumergido en un fluido, se mantiene a flote por una fuerza igual al peso del fluido. Este principio, también conocido como la ley de hidrostática, se aplica a los cuerpos, tanto en flotación, como sumergidos; y a
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES`` todos los fluidos. El principio de Arquímedes también hace posible la determinación de la densidad de un objeto de forma irregular, de manera que su volumen no se mide directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el en agua, entonces; la diferencia de estos pesos igualará el peso del volumen del agua cambiado de sitio, que es igual al volumen del objeto. Así la densidad del objeto puede determinarse prontamente, dividendo el peso entre el volumen. El principio de Arquímedes se puede demostrar al estudiar las fuerzas que un fluido ejerce sobre un objeto suspendido. Considérese un disco de área A y altura H el cual está completamente sumergido en un fluido. Recuérdese que la presión a cualquier profundidad h en un fluido esta dada por: P = pg h En donde p es la densidad de masa del fluido y g la aceleración de la gravedad. Si se desea representar la presión absoluta dentro del fluido, se debe sumar la presión externa ejercida por la atmósfera. La presión total hacia abajo P1 en la cara superior del disco, es por tanto P1 = Pa + pg h1 hacia abajo En donde Pa es la presión atmosférica y h1 es la profundidad superior del disco. Analógicamente, la presión hacia arriba P2 sobre el fondo del disco P2 = Pa + pg h2 hacia arriba Donde h2 es la profundidad a la parte inferior del disco. Puesto que h2 es mayor que h1, la presión sobre la base del disco excederá la presión sobre la cara superior, y el resultado será una fuerza neta hacia arriba. Si la fuerza hacia abajo se representa por F1 y la fuerza hacia arriba por F2 , puede escribirse F1 = P1 A F2 = P2 A La fuerza hacia arriba ejercida por el fluido sobre el disco se llama empuje y se expresa mediante Fe = F2 - F1 = A (P2 - P1) = A(Pa + pg h2 - Pa - pg h1) = Apg (h2 - h1) = Apg H Donde H = h1 - h2 es la altura del disco. Finalmente si se recuerda que el volumen del disco es V = A H, se obtiene el siguiente resultado importante Fe = p g V = m g Empuje = Peso del fluido desalojado El cual es el principio de Arquímedes.
UNIVESIDAD ANDINA ``NESTOR CACERES VELASQUES``
11.-BIBLIOGRAFIA: • Ballesteros, R. “Turbulencia”, Área de Mecánica de Fluidos, Universidad de Oviedo. 2003. • Blanco, E., Fernández, J., y Velarde, S. “Sistemas de Bombeo”. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Oviedo. 1994. • Blevins, R.D. “Applied Fluid Dynamics Handbook”. Van Nostrand Reinhold. New York. 1984. • Fox, R.W. y McDonald, A.T. “Introducción a la Mecánica de Fluidos” (4ª edición). McGraw–Hill. México D.F. 1995. • Gerhart, P., Gross, R., y Hochstein, J. “Fundamentos de Mecánica de Fluidos” (2ª edición). Addison-Wesley Iberoamericana. Wilmington (EEUU). 1995. • Massey, B.S. “Mechanics of Fluids” (7th edition). Spon Press. 1998. • Potter, M.C., y Wiggert, D.C. “Mecánica de Fluidos” (3ª edición). Thompson, México D.F. 2002. • Rott, N. “A note on the history of the Reynolds number”. Annual Revews of Fluid Mechanics.
1990. • Shames, I.H. “Mecánica de los Fluidos” (3ª edición). McGraw–Hill. Santa Fé de Bogotá. 1995. • Streeter, E.B., Wylie, E.B., y Bedford, K.W. “Mecánica de los fluidos” (9ª edición), McGraw–Hill Interamericana. 2000. • Velarde, S., González, J., y Fernández, J. “Prácticas de Máquinas Hidráulicas”. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Oviedo. 1999. • White, F.M. “Mecánica de Fluidos”. McGraw–Hill. México D.F. 1988.
