FUERZA DE CHORRO

Nilson Barrios, Jorge Fernandez, Luis Fernandez, Carlos Altamar.Universidad del Atlántico

Ingeniera Mecánica

Resumen

Este experimento consiste en la medición de la fuerza de chorro de agua sobre superficies sólidas. El aparato permite la medición de la fuerza del impacto del chorro sobre los cuerpos solidos de distinta forma, además de las variables necesarias para la comparación de los resultados experimentales con predicciones teóricas, tales como el caudal, etc. Posee cuer-pos de distintas formas (planas, cóncavas, inclinada) para realizar el experimento.

Palabras claves: Fuerza, Cuerpo Solido, Caudal.

AbstractThis experiment consists of measuring the strength of water jet on solid surfaces. The apparatus allows the measurement of the force of impact of the jet on the solid bodies in different ways, in addition to the necessary for the comparison of the experimental results with theoretical predictions, such as flow rate, etc. variables Bodies has different shapes (flat, concave, in-inclined) to conduct the experiment.

Keywords: Strength, Solid Body Flow.

1. Introducción

El objetivo principal de esta experiencia es calcular la fuerza de un chorro de agua, al impactar en diferentes superficies a partir de variables como: el caudal, presión, longitud y pérdidas en tuberías, diámetro de las boquillas.

Desde hace tiempo el ser humana ha buscado muchas aplicaciones del agua en nues-tra vida cotidiana, estudiando cada una de sus propiedades y comportamientos. Por esto la mecánica de fluidos es de vital importancia estudiar y analizar uno de los as-pectos más importantes de este preciado líquido como lo es la fuerza que este ejerce sobre superficies curvas y planas.

2. Marco Teorico

La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos (que a su vez es una rama de la física) que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos). La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir es-fuerzos cortantes. También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo

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limita. La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo.Las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones, cohetes, hélices, barcos, etc., por lo cual, la ecuación fundamental de la energía no es suficiente para resolver todos los problemas que se presentan y por lo tanto se necesita el auxilio del principio de la cantidad de movimiento. La fuerza ver-tical realizada por el agua contra la superficie se mide empleando masas calibradas que equilibran dicha fuerza, tomando como referencia un indicador o calibre que se ha ajustado previamente a un cero de referencia, que es una marca que aparece en la superficie sobre la que se colocan las masas.Dentro del estudio del flujo de fluidos encontramos el impacto de un chorro sobre una superficie.   En el siguiente informe se realizara el estudio de tres situaciones sencillas (una superficie plana, una inclinada y otra semiesférica) pero que dan una idea de có-mo la energía que puede traer un fluido puede ser aprovechada para realizar un traba-jo cualquiera, además de tener otros criterios como la eficiencia.Por ello nos enfocaremos en determinar la fuerza que se genera a través de un impacto de chorro a una superficie, sea plana o curva.

En este informe se procederá a realizar los experimentos para determinar las fuerzas ejercidas por un impacto de un chorro, para que después se comparen con las expre-siones teóricas.Cuando se trata con problemas de ingeniería, es conveniente obtener soluciones rápi-das y exactas a un costo mínimo. La mayoría de los problemas de ingeniería, incluso los que tienen relación con el flujo de fluidos, se pueden analizar con la aplicación de uno de los tres procedimientos básicos.El procedimiento que emplearemos para esta experiencia es notablemente el mas rápi-do y sencillo y suele dar respuestas muy exactas para la mayoría de propósitos que necesitamos en ingeniería, este es el procedimiento del volumen finito de control. Este procedimiento que es llevado a cabo con papel y lápiz siempre ha sido un recurso de-masiado indispensable para nosotros los ingenieros.Las leyes de Newton son las que relacionan los movimientos de los cuerpos con las fuerzas que sobre estos se encuentran ejerciendo. Por ejemplo la segunda ley expresa que la aceleración de un cuerpo es proporcional a la fuerza neta que actúa sobre el y es inversamente proporcional a su masa.Para un cuerpo rígido de masa m, la segunda ley se expresa de esta manera:

F⃗=m a⃗=mdV⃗dt

=d (m V⃗ )

dtDonde F es la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo y a es la aceleración de ese cuer-po bajo la influencia de la fuerza F. Además (mV) es el momento lineal del sistema. Note que tanto la densidad como la velocidad pueden cambiar de punto a punto dentro del sistema, la segunda ley de Newton se puede expresar de manera mas general como:

∑ F⃗= ddt ∫ ρ V⃗ d V

Esta ecuación es para una masa dada de un solido y es de uso limitado en la mecánica de fluidos, ya que la mayoría de los sistemas de flujo se analizan con el uso de volúme-nes de control. El teorema de transporte de Reynolds proporciona las herramientas necesarias para pasar de la formulación del sistema a la de volumen de control. Si se hace b= V y entonces B=mV, este teorema puede expresarse para el momento lineal como:

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d (mV⃗ )dt

= ddt ∫VC

❑

ρ V⃗ dV +∫SC

❑

ρ V⃗ (V⃗ r ∙ n⃗)dA

Pero, como ya teníamos entendido la parte izquierda de esta ecuación es igual a las sumatoria de fuerzas entonces la ecuación de manera general queda dada así:

∑ F⃗= ddt∫VC

❑

ρ V⃗ dV +∫SC

❑

ρ V⃗ (V⃗ r ∙ n⃗)dA

Lo que significa:

(La suma de todas las fuerzas externas

que actuansobreVC

)=(La razon de cambiorespecto al tiempo delmomento lineal delcontenido de VC

)+(El flujo neto del momentolineal hacia afuera de lasuperficie de control porel flujo de masa

)La tercera ley de Newton expresa que cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo, este ultimo ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primero. Por lo tanto, la dirección de una fuerza de reacción depende del cuerpo tomado como siste-ma.Surge la pregunta de cómo seleccionar de manera idónea un volumen de control, pues un volumen de control puede seleccionarse como cualquier región arbitraria en el es-pacio por la cual el fluido se desplaza y su superficie limitante de control puede estar fija, en movimiento e inclusivo se puede estar deformando en el curso del flujo. La apli -cación de una ley básica de conservación es sencillamente un procedimiento sistemáti-co de contabilizar o tomar en cuenta la cantidad que se esté considerando y, por lo tanto, es en extremo importante que las fronteras del volumen de control estén defini-das adecuadamente en el desarrollo de un análisis. También, el gasto flujo de cualquier cantidad que entre o salda en un volumen de control depende de la velocidad del flujo relativa a la superficie de control y, como consecuencia, resulta esencial saber si este volumen de control se mantiene en reposo durante el flujo o si se mueve.Las fuerzas que se encuentran actuando sobre el volumen de control constan de fuer-zas del cuerpo, que actúan en todo el cuerpo de ese volumen por ejemplo la fuerza de la gravedad, eléctrica y magnética. Además las fuerzas superficiales, que actúan sobre la superficie de control como las fuerza de presión y la viscosa.La fuerza total que actúa sobre el volumen de control se define como:

∑ F⃗=∑ F⃗ cuerpo+∑ F⃗ superficial

3. Métodos Experimentales

Los materiales usados fueron:

Guía de trabajo Cronómetro Recipiente recolector

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Probeta Boquillas Plana, cóncava e inclinada Regla y/o escuadra

El procedimiento experimental que se ejecutó para desarrollar la medición de la fuerza de impacto que ejercía un chorro de agua al golpear diversos tipos de super-ficies, constaba de un sistema integrado por una motobomba la cual se encargaba de absorber el agua recolectada por un tanque en forma de tonel para seguidamen-te propulsarla alrededor del complejo de tuberías. Luego de ello, al interior de un cilindro acrílico que conforma el montaje dispuesto, el caudal de agua atraviesa cierto recorrido hasta acercarse a una boquilla unida al tubo de este, logrando así incrementar su velocidad y ejercer un vigoroso choque sobre distintos cuerpos con los que se estudiaron el impacto y la impulsión generado por el flujo. Como se pue-de apreciar en el esquema ilustrativo, se posee una regla en la que se colocaba en el centro una masa deslizable y se procedía a girar la tuerca superior hasta lograr que el conjunto quedará en el centro de la tapa superior del cilindro restaurando el equilibrio; esto con la finalidad que la placa distara desde la boquilla una distancia “h” que sería constante durante toda la experiencia.El retorno del agua expulsada a través de la boquilla al tanque de almacenamiento es dado por el cilindro de acrílico quien se encarga de devolverla al tanque de al-macenamiento. Para mantener dosificada y controlada la cantidad del flujo, la motobomba contaba con un regulador de frecuencia de operación que, a su vez, modificaba la presión del agua, estimada por un manómetro localizado en la tubería. Para medir el caudal se recolecto cierto volumen de agua (banco volumétrico) en un recipiente cronome-trando el tiempo empleado y seguidamente depositado en una probeta para regis-trar la lectura de dicho volumen.

Al seguir el proceso de medición se consideraron las siguientes instrucciones y re-comendaciones:

1. Colocar la boquilla de 5 mm de diámetro en el interior del tubo.2. Colocar la superficie cóncava de impacto sobre la regla.3. Equilibrar la regla mediante el deslizamiento de la presa móvil.4. Mantener las válvulas de entrada y salida de las bombas totalmente abier-

tas.5. Encender el sistema, con cierta frecuencia de operación de la bomba.6. Encender el sistema, con cierta frecuencia de operación de la bomba.

4. Análisis de Resultados

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4.1 Discusion de resultados

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5. Conclusiones

El diámetro de la boquilla influye en la fuerza con que impacta el chorro hasta cierto punto.

El caudal influye en la fuerza de chorro Cuando la superficie es cóncava se produce el mayor rendimiento de fuerza

para un caudal dado Si la superficie es inclinada la fuerza del chorro se desperdicia. Cuando la superficie es plana la fuerza del chorro es completamente perpendi-

cular a la superficie lo que permite que el chorro impacte con toda su fuerza. El caudal medido por recipiente puede generar errores en la toma de medidas.

Agradecimientos

Queremos agradecerle al profesor Crisostomo Peralta, docente de la Universi-dad del Atlántico, por su guía en el desarrollo de este laboratorio, y a mis com-pañeros de clases por su gran trabajo de equipo.

Referencias

Cengel, Yunus; Cimbala, John – Mecánica de fluidos – Cap 12. Streeter, Victor; Wyley, Benjamin – Mecánica de fluidos – Cap Web-grafía varia.

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