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I. RESUMEN:
La mecánica de fluidos es el estudio del comportamiento de los fluidos,
ya sea que estén en reposo o en movimiento, los fluidos pueden ser
líquidos o gases, en este informe aprenderemos a reconocer los
líquidos comunes y caracterizarlos por medio de sus propiedades
físicas. Se considera la energía del fluido según su velocidad,
elevación y presión; se toma en cuenta las pérdidas y ganancias de
energía mientras el fluido pasa a través de los componentes de un
sistema de flujo de fluidos, permitirá que analice el rendimiento de
dicho sistema. Para comprender mejor sobre la mecánica de fluidos se
va a realizar en el laboratorio con experimentos en el estado líquido
con los temas de la viscosidad, tensión superficial, capilaridad y
densidad. (MOTT, 2006)
MECÁNICA DE FLUIDOS
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II. INTRODUCCIÓN :
La mecánica de fluidos es la ciencia que estudia el efecto de fuerzas
aplicadas a los fluidos. Se subdivide en dos categorías generales,
hidrodinámica y dinámica de gases. En lo fundamental la
hidrodinámica estudia el flujo de los fluidos, para los que
prácticamente no hay cambio de densidad, como el caso del flujo de
líquidos o gases a bajas velocidades. (CROWE, 2007)
En un sólido, un fluido en una sustancia cuyas partículas se mueven y
cambian sus posiciones relativas con gran facilidad. Analizamos
mediante la práctica la densidad, la viscosidad, tensión superficial y
capilaridad. La rapidez de deformación del fluido está relacionada con
el esfuerzo cortante aplicado por viscosidad, que es una propiedad del
fluido; Así los fluidos muy viscosos como el jabón líquido y los aceites
fríos, fluyen con lentitud a causa de un esfuerzo cortante dado.
(CROWE, 2007) La viscosidad de un fluido como el jabón líquido fluye más despacio
que el agua porque tiene una viscosidad mayor. Llevando acabo
algunos experimentos que demuestren un rango amplio de viscosidad
para diferentes clases de fluidos. Teniendo nuestras muestras y una
moneda podemos observar que el jabón es más viscoso que el agua.
(MOTT 2006)El objetivo general es observar y experimentar los videos dejadas en el
aula virtual.
Unas de las conclusión más importante es que la tensión superficial es
el fenómeno en la cual la superficie de un líquido se comporta como
una película fina elástica, también concluimos que en el ensayo de la
densidad, el aceite es más denso que el alcohol porque el aceite
queda en la parte inferior y el alcohol en la parte superior de la
probeta.
MECÁNICA DE FLUIDOS
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III. OBJETIVO:
1. OBJETIVOS GENERALES:
Observar y experimentar los videos dejadas en el aula virtual
2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Analizar cada uno de los ensayos, viscosidad, tensión
superficial y capilaridad.
Entender aspectos básicos sobre las propiedades de los
fluidos.
MECÁNICA DE FLUIDOS
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IV. MARCO TEÓRICO:
A. DENSIDAD
La densidad de una sustancia homogénea es una propiedad física
que la caracteriza y está definida como el cociente entre la masa y
el volumen de la sustancia que se trate. Esta propiedad depende
de la temperatura, por lo que al medir la densidad de una sustancia
se debe considerar la temperatura a la cual se realiza la medición.
En el caso de sustancias no homogéneas lo que obtenemos al
dividir la masa y el volumen es la densidad promedio. Por otra
parte, si se desea determinar con mayor precisión la densidad de
una sustancia liquida es común utilizar un picnómetro. Esto nos
sirve para comparar las densidades de entre líquidos diferentes,
basta con pesar el picnómetro con cada líquido por separado y
comparando sus masas. Es usual comparar la densidad de un
líquido respecto a la densidad del agua pura a una temperatura
determinada, por lo que al dividir la masa de un líquido dentro del
picnómetro respecto de la masa correspondiente de agua,
obtendremos la densidad relativa del líquido respecto a la del agua
a la temperatura de medición.
Para el agua a presión estándar (760 mm Hg) y 4 °C de
temperatura, la densidad es:
Sistema Internacional de unidades: 1000 kg/m3.
Sistema Ingles: 1.94 slug/ft3.
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DENSIDAD RELATIVA O GRAVEDAD ESPECÍFICA (S)
La densidad relativa de un cuerpo es adimensional que viene dado
por la relación del peso del cuerpo al peso del volumen de una
sustancia que se toma como referencia.
Densidad relativa = peso de la sustancia / peso del igual volumen
de agua. (VASQUEZ, 2014)
ENSAYO DE LABORATORIO DENSIDAD
MATERIALES
PROBETA
ACEITE
ALCOHOL
DATOS DE DENSIDAD DE LÍQUIDO
ACEITE DE PALMA
Tabla 1
TEMPERATURA VALOR UNIDAD MÉTODODensidad A 20°C Ca. 0.88-0.93 g/cm3 DIN 51757
(HEESS, 2011)
ACEITE Tabla 2
Densidad del alcohol (g/cm3) 0.845 ± 0.005(CAYPANE, 2013)
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PROCEDIMIENTO
1. En una probeta se vierte uno de los líquidos.
2. Luego se vierte el siguiente líquido.
3. Luego observamos que liquido está en la parte inferior y cual
está en la parte superior.
B. VISCOSIDAD:
La viscosidad de un fluido viene a ser la medida de la resistencia
que ofrecen las partículas fluidas para el desplazamiento, como
resultado de la interacción y cohesión de sus moléculas.
(VASQUEZ, 2014)
A= área
Y= altura
I= deformación de un elemento de fluido
De la geometría de la figura, vemos que:
tg =V . ty
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Figura 1 Figura 2
= Ángulo de deformación
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La longitud: l=V*t
En el caso límite de variaciones infinitesimales, queda una relación
entre la velocidad de deformación y el gradiente de la velocidad.
ddt
=dV .dy
La ecuación indica que el esfuerzo aplicado es también
proporcional al gradiente de la velocidad para los fluidos comunes.
La constante de proporcionalidad es el coeficiente de viscosidad
τ=. ddt
=. dVdy
1. FLUJO ENTRE PLACAS PARALELAS
Un problema clásico es el flujo inducido entre una placa fija
inferior y otra superior que se mueve con velocidad V, pero la
partícula inmediata inferior ofrecerá resistencia al movimiento y
será arrastrada con una velocidad ligeramente menor que la
partícula superficial, esto sucede una capa tras otra
Figura 3
Asumimos que la distribución de velocidades es lineal como se
muestra en la figura, La viscosidad de un fluido viene a ser la
medida de la resistencia que ofrecen las partículas fluidas para
el desplazamiento, como resultado de la interacción y cohesión
de sus moléculas.
MECÁNICA DE FLUIDOS
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Figura 4
La fuerza está en función de la velocidad, el área y el
espaciamiento entre placas:
F=f (dV . A)dy
Luego se tiene que:
F=f (dv )
τ=. dVdy
Al término se le conoce como viscosidad absoluta o viscosidad
dinámica y generalmente se aplica cuando la distribución de
velocidades es lineal. (VASQUEZ, 2014)
2. CLASES DE VISCOSIDAD:
2.1 VISCOSIDAD DINÁMICA
Conforme un fluido se mueve, dentro de él se desarrolla un
esfuerzo cortante, cuya magnitud depende de la viscosidad
del fluido. Se define al esfuerzo cortante, denotado con la
letra griega τ (tau), como la fuerza que se requiere para que
una unidad de área de una sustancia se deslice sobre otra.
Entonces, τ es una fuerza dividida entre un área, y se mide
en las unidades de N/m2 (pa) o lb/pie2.
MECÁNICA DE FLUIDOS
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En fluidos como el agua, el alcohol u otros líquidos
comunes, la magnitud de esfuerzos cortantes es
directamente proporcional al cambio de la velocidad entre
las posiciones diferentes del fluido.
En la figura 5 ilustra el concepto de cambio de velocidad de
un fluido con el esquema de una capa delgada de fluido
entre dos superficies, una de las cuales es estacionaria, en
tanto que la otra esta en movimiento. Una condición
fundamental, cunado un fluido real está en contacto con una
superficie de frontera es que el fluido tenga la misma
velocidad que esta. Entonces, en la figura 5 la parte del
fluido en contacto con la superficie inferior tiene una
velocidad igual a cero, ya que en contacto con la superficie
superior tiene una velocidad V. si la distancia entre las dos
superficies es pequeña, entonces la tasa de cambio de la
velocidad con posición y es lineal. Es decir, varía en forma
lineal. El gradiente de la velocidad es una medida de
cambio de la velocidad, y se define como ∆V∆Y . También se
denomina tasa cortante. (MOTT, 2006)
MECÁNICA DE FLUIDOS
Figura 5 Gradiente de velocidad de un fluido en movimiento
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2.2 VISCOSIDAD CINEMÁTICA:
Como una convención, la viscosidad cinemática se define
como el cociente entre la viscosidad dinámica de un fluido y
su densidad. Debido a que la viscosidad dinámica y la
densidad son propiedades del fluido, la viscosidad
cinemática.
Temperatura. La viscosidad de un líquido como el jabón
varía con la temperatura. Al calentarse, el jabón se vuelve
menos viscoso y fluye con mayor facilidad, gracias al
movimiento incrementado de las moléculas que lo
componen. Dado que el aceite pasa por los motores y por
tanto se calienta todo el tiempo, cambiará constantemente
su viscosidad, lo que debe tenerse en cuenta cuando se
compra o se categoriza. (WHITE, 2005)
ENSAYO DE LABORATORIO VISCOSIDAD
MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS
2 vasitos descartables.
3 fluidos diferentes: jabón líquido, agua y una moneda.
Cronómetro
PROCEDIMIENTO
1. En un vaso hemos colocado jabón líquido y en el otro agua
con la misma cantidad.
2. Ya obtenido los recipientes llenos de líquido sumergimos la
moneda en el vaso con agua.
3. Procedimos a sumergir la moneda al vaso con jabón.
4. Calculamos el tiempo que demora en asentar la moneda al
fondo del vaso.
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DATOS EXPERIMENTALES
FLUIDO CANTIDAD (ml) TIEMPO (s)
JABÓN LIQUIDO 20 ml 21 s
AGUA 10 ml 0.9 s
MONEDAS 2 0
C. TENSIÓN SUPERFICIAL
DEFINICIÓN
De acuerdo con la teoría de atracción molecular, las moléculas de
un líquido que se encuentren considerablemente de bajo de la
superficie actúan una sobre otra por medio de fuerzas que son
iguales en todas direcciones. Sin embargo, las moléculas que se
encuentren cerca de la superficie tienen una mayor atracción entre
sí, que la presente entre moléculas que están inmediatamente
debajo de ella. Esto produce una superficie de líquido que actúan
como una membrana estirada. Debido a este efecto de membrana,
cada porción de la superficie de líquido ejerce “tensión” sobre
porciones adyacentes o sobre objetos que estén en contacto con la
superficie del líquido. Esta tensión actúa en el plano de la
superficie, y su magnitud por unidad de longitud se define como
tensión superficial, σ (sigma). La tensión superficial para una
superficie entre aire y agua es 0.073 N/m a temperatura ambiente.
El efecto de la tensión superficial se ilustra figura 6. (CROWE,
2007)
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Figura 6 acción capilar en un tubo pequeño
En el caso de acción capilar en un pequeño tubo aquí, el extremo
de un tubo de diámetro pequeño se coloca dentro de un depósito
de agua y la característica superficie curva del agua se presenta
dentro del tubo. La atracción relativamente grande de las moléculas
del agua para el vidrio ocasiona que la superficie del agua se curve
hacia arriba en la región de las paredes del vidrio. Entonces la
fuerza de tención superficial actúa alrededor de la circunferencia
del tubo, en la dirección indicada. Se puede suponer que θ es igual
a 0° para agua contra vidrio. Esto produce una fuerza neta hacia
arriba sobre el agua que hace el agua del tubo se eleva por arriba
de la superficie de agua del depósito. (CROWE, 2007)
Otras manifestaciones de tensión superficial incluyen el exceso de
presión (en y sobre la presión atmosférica) creado dentro de
pequeñas gotas y burbujas, la transformación de un chorro de
líquido en pequeñas gotas, y la unión en su conjunto de material
granulado húmedo, como el caso de tierra arenosa fina.
Las fuerzas de tensión superficial par algunas aplicaciones se
muestran en la figura 7. (CROWE, 2007)
MECÁNICA DE FLUIDOS
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Figura 7
ENSAYO DE LABORATORIO TENSIÓN SUPERFICIAL
MATERIALES
RECIPIENTE
AGUA
PAPEL BOND
PROCEDIMIENTO
En un recipiente con agua introduciremos un trocito de
papel.
Esperamos un momento hasta que el papel este
completamente húmedo.
Observamos una pequeña “piel” estirándose bajo el peso
del papel.
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D. CAPILARIDAD:
DEFINICIÓN:
La elevación o descenso de un líquido en un tubo capilar (o en
situaciones físicas análogas, tales como en medios porosos) vienen
producidos por la tensión superficial, dependiendo de las
magnitudes relativas de la cohesión del líquido y de la adhesión del
líquido a las paredes del tubo. Los líquidos ascienden en tubos que
mojan (adhesión > cohesión) y descienden en tubos a los que no
mojan (cohesión > adhesión). (VASQUEZ, 2014)
La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es
directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón
inversa a la densidad del líquido y del radio del tubo.
MECÁNICA DE FLUIDOS
Figura 9 Figura 8
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La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es
directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón
inversa a la densidad del líquido y del radio del tubo.
Para el caso de un tubo capilar, y de acuerdo a la figura, podemos
hacer una sumatoria de fuerzas e igualarla a cero para obtener la
altura que se elevaría un líquido en el tubo capilar.
Tenemos que considerar el peso del líquido que será igual al peso
específico del mismo por el volumen que ocupa, así como la fuerza
que se contrapone a éste peso, que es la fuerza debida a la tensión
superficial.
MECÁNICA DE FLUIDOS
Figura 10
Figura 11
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Aplicando la condición de equilibrio para fuerzas verticales,
tenemos:
∑ Fy=0 ⇒ ( π . r2 ) .H . γ−2. π .r .σ .cos α=0
Entonces:
H=2 .σ . cos αγ . r
NOTA: Si el tubo está limpio, el ángulo θ es 0° para el agua y 140°
para el mercurio. (VASQUEZ, 2014)
TUBO CAPILAR:
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Figura 12
Figura 13
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Un tubo capilar es una conducción de fluido muy estrecha y de
pequeña sección circular. Su nombre se origina en similitud con el
espesor del cabello, y es en estos tubos en los que se manifiestan
los fenómenos de capilaridad.
Por su parte, estos pueden estar hechos de distintos materiales
como vidrio, cobre, aleaciones metálicas, etc., conforme el uso y
aplicación. (GONZALEZ ESCOBAR, s.f.)
ENSAYO DE LABORATORIO CAPILARIDAD
MATERIALES:
Ladrillo
Agua Potable
Cronometro
Tina
MECÁNICA DE FLUIDOS
Figura 15
Figura 14
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Regla
PROCEDIMIENTO:
Primero ponemos agua en la tina a una cierta cantidad.
Ponemos el ladrillo en la tina con agua para ver qué
cantidad de agua absorbe por los tubos capilares.
Controlamos el tiempo con el cronometro 2 minutos para
ver qué cantidad de agua absorbió.
Medimos con una regla la capilaridad del ladrillo que
absorbió el agua por los tubos capilares.
1. CICLO DEL AGUA:
Con seguridad es el ciclo más conocido de todos, puesto que
resulta evidente su circulación permanente ante nuestros ojos y
se define como el proceso de cambio en la ubicación y el estado
físico del agua (solido, líquido y gaseoso) en el medio,
incluyendo los seres vivos, aunque estos últimos tienen un papel
“despreciable” en el ciclo del agua que se da de manera natural,
funcionando esencialmente gracias a la energía solar.
(GONZÁLEZ, 1995)
El movimiento del agua a través de las diversas fases del ciclo
hidrológico es muy complejo, dada su naturaleza errática en lo
temporal y espacial. (DAVIS, 2005).
MECÁNICA DE FLUIDOS
Figura 16
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El agua de los océanos es la reserva más grande, la
atmosfera la reserva más pequeña y las reservas más
grandes de agua del subsuelo son los mantos acuíferos,
estratos porosos del subsuelo, a menudo de piedra caliza,
arena o grava, limitados por rocas impermeables o barro que
retiene el agua, como si fuesen una tubería gigante o una
gran cisterna. (ODUM, 2006.)
Y es precisamente en la reserva más grande “los océanos” en
donde empieza y termina este ciclo.
De manera simple podemos mencionar que las
consideraciones básicas de este ciclo son:
1. La radiación solar promueva la evaporación.
2. El enfriamiento de las masas de aire húmedo promueven
la condensación del vapor de agua, acción contraria a la
evaporación, es decir el vapor se transforma en gotas
(estado líquido).
3. Para que el agua retorne a la atmosfera, puede seguir
infinidad de rutas.
El ciclo del agua incluye la evaporación, transpiración,
condensación, precipitación e infiltración de este líquido.
EVAPORACIÓN.
Esta etapa del ciclo del agua consiste en la conversión del
agua líquida a vapor, de esta forma, el agua alcanza la
atmósfera. El agua se evapora de los océanos, de las aguas
continentales y de las plantas (transpiración). Solo en los
océanos hay aproximadamente siete veces más evaporación
que desde la superficie terrestre. (GONZÁLEZ, 1995)
MECÁNICA DE FLUIDOS
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TRANSPIRACIÓN:Es otra vía por la cual el agua pasa a la atmósfera, a diferencia
de la evaporación, la transpiración es realizada por las plantas
y es el proceso por el que las plantas emiten agua por medio
de sus estomas pequeños orificios en el anverso de las hojas
que están conectados por el tejido vascular.
Ocurre principalmente durante la fotosíntesis, cuando las
estomas de las hojas están abiertas para la transferencia de
dióxido de carbono y oxígeno. (MASTEN, 2005)
CONDENSACIÓN:
MECÁNICA DE FLUIDOS
Figura 17. La evaporación es el proceso por el cual el agua de los océanos y de la tierra se convierte en vapor de agua y penetra en la atmosfera y en forma de gas. La evaporación de las plantas se denomina transpiración,
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Una vez en la atmósfera, por el decremento de la temperatura,
el agua se condensa, es decir, se vuelve líquida nuevamente,
esas gotas van formando nubes, cuando una nube está lo
suficientemente saturada, precipita.
ESTADOS DEL AGUA:
Podemos encontrar agua en la Naturaleza de tres formas
distintas. Estas formas se llaman estados del agua.
MECÁNICA DE FLUIDOS
Figura 18. Condensación. El vapor de agua se enfría a medida que se eleva
Figura 20
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LOS CAMBIOS DE ESTADOCuando el agua se calienta o se enfría mucho puede llegar a
cambiar de estado. ¿Qué pasa, por ejemplo, cuando metemos
agua en el congelador? ¿Y, cuándo ponemos una cazuela con
agua en el fuego?
Microsoft® Encarta® Online 2009)
MECÁNICA DE FLUIDOS
Figura 21
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V. GLOSARIO:
PICNÓMETRO: Es un instrumento sencillo cuya característica
principal es la de mantener un volumen fijo al colocar diferentes
líquidos en su interior.
CAZUELA: bandeja plana que sirve para transportar material
ERRÁTICA: que no se puede predecir
SLUG: El slug se define como la masa que se desplaza a una
aceleración de 1 ft/s² cuando se ejerce una fuerza de
una libra sobre ella. De la ecuación F=ma "despejando" m=F/a
tendríamos lo siguiente: 1 unidad de masa = unidad de fuerza / unidad
de aceleración.
ÁTOMO: es la cantidad menor de un elemento químico que tiene
existencia propia y que está considerada como indivisible.
(CORREA,2002).
PERCOLACIÓN: se refiere al paso lento de fluidos a través de
materiales porosos. (CROW-2007).
SOLUBILIDAD: Capacidad de una sustancia o un cuerpo para
disolverse al mezclarse con un líquido. (CROW-2007).
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VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
observamos en el ensayo de densidad que el aceite es más denso que
el alcohol por que el aceite queda en la parte inferior el alcohol en la
parte superior de la probeta.
Llegamos a comprender que shampoo es más viscoso que el agua ya
que la moneda demoro un mayor tiempo en asentarse en el sampoo
ya que a más velocidad menos viscosidad.
Observamos algunas propiedades de la tensión superficial generadas
en el experimento de laboratorio por tal motivo el papel pudo flotar.
observamos que el ladrillo mediante un cierto tiempo el agua
absorbida por una cierta cantidad, ascendido por la presencia de los
tubos capilares en el ladrillo.
Estudiamos aspectos básicos sobre las propiedades de los fluidos.
RECOMENDACIONES Se recomienda a los alumnos que debemos utilizar el EPP
adecuadamente
MECÁNICA DE FLUIDOS
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VII. BIBLIOGRAFÍA
Castellan, G. W. (2005). Fisicoquímica. MEXICO: PEARSON.
CAYPANE, N. F. (SEPTIEMBRE de 2013). GOOGLE. Obtenido de http://www.academia.edu/5699869/Densidad_1_
CROWE, C. (2007). MECANICA DE FLUIDOS. MEXICO: PATRIA.
GILES, R. V. (1969). MECÁNICA DE FLUIDOS E HIDRÁULICA. PANAMA MEXICO.
GONZÁLEZ. (1995). Obtenido de http://www.capa.gob.mx/cultura/pdfs/ciclo_agua.pdf
GONZALEZ ESCOBAR, F. (s.f.). GOOGLE. Obtenido de http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Capilaridad.html
HEESS, G. (27 de 06 de 2011). GOOGLE. Obtenido de http://gustavheess.com/pdf_esp/1101seg.pdf
JENKINS. (s.f.). google. Obtenido de http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/9497648/Informe-sobre-el-agua-hecho-por-mi.html.
MARTINEZ, M. (s.f.). GOOGLE. Obtenido de http://www.monografias.com/trabajos14/propiedades-agua/propiedades-agua.shtml#ixzz3xWRe4tdy
MOTT, R. (2006). MECÁNICA DE FLUIDOS. MÉXICO: PERSON.
VASQUEZ, L. (SEPTIEMBRE de 2014). AULA VIRTUAL. Obtenido de https://aulavirtual.upn.edu.pe/
WHITE, F. M. (2005). MECÁNICA DE FLUIDOS V ED.
ZEMANSKY. (2006). FISICA UNIVERSITARIA. MEXICO: PEARSON EDUCACION.
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VIII. PANEL FOTOGRÁFICO
Integrantes de grupo
Material para ensayo de densidad
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Ensayo de densidad
Ensayo de capilaridad
Resultado final de la densidad del aceite y el alcohol
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Ensayo de capilaridad
Ladrillo sumergido
Resultado después de dos minutos
Ensayo de tención superficial
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Resultado del ensayo de tensión superficial
Ensayo de viscosidad
Resultado del ensayo de viscosidad
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