propiedades de los fluidos 2015 i

HIDRÁULICA

Ing. RAFAEL DE LA CRUZ

CASAÑO

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Ing. RAFAEL DE LA CRUZ CASAÑO

https://www.youtube.com/watch?v=Vd2BJ9R9Qy

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VIDEO DE PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS, UPV

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EL AGUAincolora, inodora y sin sabor,aun así, ningún ser vivientepuede sobrevivir sin ella.Las plantas, los animales ylos seres humanos estáncompuestos en su mayoríapor agua (alrededor de dostercios del cuerpo humanoestá compuesto por agua).Ahora veamos porque lascaracterísticas del agua sonúnicas y especiales para lavida


EL AGUA

El agua tiene una

única tensión

superficial que

permite que en las

plantas pueda fluir

hacia arriba a pesar

de la gravedad, lo

que lleva agua y

nutrientes vitales

hasta la copa de los

árboles más altos.Ing. RAFAEL DE LA CRUZ CASAÑO

EL AGUA Noventa y siete por ciento del agua de la Tierra esta en

los océanos. Pero en nuestra Tierra, hay un sistema

diseñado que remueve la sal del agua y luego la

distribuye por todo el globo.


EL AGUA La evaporación toma el

agua de los océanos, deja

la sal, y forma nubes que

son fácilmente movidas

por el viento para que

dispersen agua sobre la

tierra, para la vegetación,

los animales y las

personas. Es un sistema

de purificación y

abastecimiento que

sustenta la vida del

planeta, es un sistema de

reciclar y reusar agua.6


HIDRAULICA

La hidráulica es laciencia que estudia elcomportamiento delos fluidos enequilibrio (estática) oen movimientoacelerado (dinámica),mediante principiosde la mecánicageneral.


Con las leyes queresultan, se está enla posibilidad deexplicar losfenómenosobservados ypredecir de maneraaproximada elcomportamiento delos fluidos bajo unaserie decondiciones.


Las leyes se obtienen mediante el

análisis matemático y la

experimentación.


LOS FLUIDOS Y SUS PROPIEDADES


SISTEMAS DE UNIDADES

Para el curso de hidráulica sólo tres MAGNITUDES y UNIDADES FUNDAMENTALES son necesarias: LMT ó LFT.

Las restantes magnitudes se denominan MAGNITUDES DERIVADAS y se expresan en función de las UNIDADES FUNDAMENTALES.


SISTEMAS DE UNIDADES

Los dos Sistemas deUnidades más utilizadosson:

1) SISTEMAINTERNACIONAL (SI):Se leconoce como el SISTEMAABSOLUTO ó SISTEMACIENTÍFICOINTERNACIONAL.

Las magnitudes fundamentalesson: L,M,T. Es un sistemamásico, porque la masa en él esfundamental mientras que lafuerza es una magnitudderivada.


SISTEMA INTERNACIONAL

Para expresar la FUERZA en el S.I.

𝐹 = 𝑚. 𝑎 ( Segunda ley de Newton)

N = 1 𝐾𝑔 .𝑚

𝑠2(N: Newton; Kg: Kilogramo-masa)

• Para expresar la PRESIÓN en el S.I.

𝑝 =𝐹

𝐴

1 𝑃𝑎 =𝑁

𝑚2 =𝐾𝑔

𝑚.𝑠2( Pa : Pascal)

1 𝐵𝑎𝑟 = 105 𝑝𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙


SISTEMA TÉCNICO

2) EL SISTEMA TÉCNICO (ST): O Sistema

Gravitacional. Sus dimensiones o magnitudes

fundamentales son: L,F,T.

Unidades fundamentales: Kilogramo fuerza (Kgf)

Metro (m)

Segundo (s)

Es el más utilizado en los problemas de ingeniería,

a pesar de que el peso de un cuerpo representa

una fuerza que varía de un lugar a otro de acuerdo

a la aceleración de la gravedad.


SISTEMA TÉCNICO

• Para expresar la MASA en el S.T.

𝑚 =𝐹

𝑎

1 UTM =𝑃𝐸𝑆𝑂 𝐸𝑁 𝐾𝑔𝑓

𝐴𝐶𝐸𝐿𝐸𝑅 𝐸𝑁 𝑚/𝑠2

donde: UTM … Unidad Técnica de Masa

• Para expresar la PRESIÓN en el S.T.

𝑝 =𝐹

𝐴

𝐾𝑔𝑓

𝑚2

𝑈𝑇𝑀 =𝐾𝑔𝑓 − 𝑠2

𝑚


RESUMEN DE LAS PRINCIPALES SISTEMAS DE UNIDADES:

SISTEMA LONGITU

D

MASA TIEMP

O

FUERZA TEMPERATU

RA

SISTEMA

ABSOLUTO

S.I.

m Kg s𝑁 =

𝐾𝑔.𝑚

𝑠2 °𝐾

SISTEMA

GRAVITACION

AL

S.T.

m UTM

𝐾𝑔𝑓. 𝑠2

𝑚

s

Kgf °𝐾

ABSOLUTO

INGLES

pie Lbm s𝑙𝑏𝑓 =

𝑙𝑏𝑚. 𝑝𝑖𝑒

𝑠2°𝑅

GRAVITACION

AL

INGLES

pie Slug

𝑙𝑏𝑓. 𝑠2

𝑝𝑖𝑒

s

lbf °𝑅


LOS FLUIDOSDEFINICIÓN:

Es una sustancia que

carece de forma propia

debido a su poca

cohesión

intermolecular y

adopta la forma del

recipiente que lo

contiene


LOS FLUIDOS

OTRA DEFINICIÓN:

Un fluido es una sustancia que se deforma

continuamente cuando se somete a un

esfuerzo cortante, sin importar que tan

pequeña sea este esfuerzo cortante. Un

esfuerzo cortante es la componente de fuerza

tangente a una superficie, … dividida por el

área de la superficie.

(Libro de Streeter, Mecánica de Fluidos, Pg 3)


CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS

Se clasifican en:

A) LOS LIQUIDOS: Son

prácticamente

incompresibles, ocupan un

volumen determinado ,

adoptando la forma del

recipiente que lo contiene ,

permanece quieto con una

superficie libre horizontal.



B) LOS GASES : A una

presión y temperatura

determinado ocupan un

volumen determinado,

pero puestos en libertad

se expanden hasta

ocupar el volumen

completo del recipiente

que lo contiene, y no

presentan superficie

libreIng. RAFAEL DE LA CRUZ CASAÑO


Los líquidos ofrecen granresistencia al cambio devolumen pero no de forma ;y los gases ofrecen pocaresistencia al cambio deforma y volumen.



Por los tanto el comportamiento de los

líquidos y gases es análogo en

conductos cerrados (tuberías) pero no

en conductos abiertos (canales).


Características de los fluidosa) Si el fluido se encuentra en reposo en su interior no

puede existir fuerzas tangenciales a superficie alguna.

b) Los fluidos ofrecen una resistencia a la rapidez de

deformación, cuando se someten a un esfuerzo

tangencial. Esta resistencia se llama VISCOSIDAD.

Los esfuerzos tangenciales que se producen no

dependen de las deformaciones que experimenta, sino

de la de la rapidez con que estas se producen.



En los fluidos llamados NEWTONIANOS el

esfuerzo tangencial es directamente

proporcional a la rapidez de la deformación

angular o partir de valores cero iniciales. Por

ejemplo el agua, el aire y algunos aceites.



Los fluidos llamados NO NEWTONIANOS lavariación entre los esfuerzos tangencial y larapidez de la deformación angular no es lineal,pues depende del tiempo de exposición alesfuerzo (agitación) y de la magnitud del mismo.Por ejemplo, el betún, los compuestos de celulosa,las colas y grasas, pinturas de aceite, jabones,gomas, alquitrán, etc.


FUERZAS EN EL INTERIOR DE UN

FLUIDO Una porción de un fluido en

movimiento se aísla idealmente

El medio que rodea al VC, se

generan fuerzas de diferente

magnitud y dirección, distribuidas

sobre toda la SC, llamadas

fuerzas de superficie.

Sobre la SC se considera un

elemento de área «ΔA», que

encierra al punto «P» y sobre la

cual actúa la fuerza de superficie

«ΔF».


FUERZAS EN EL INTERIOR DE UN FLUIDO

La fuerza «ΔF» en «P» podrá

descomponerse en dos fuerzas

«ΔFn». … Fuerza normal que

genera un esfuerzo normal «δ».

+ δ …. Tensión

- δ…... Compresión

«ΔFt»…… Fuerza tangencial que

genera un esfuerzo tangencial «τ».


PRESIÓN

Para que exista presión, la fuerza de

superficie «ΔF», debe ser normal al

elemento de área, y para que exista esto

hay dos circunstancias:

a) Cuando el fluido está en reposo

(situación real).

b) Estando el fluido en movimiento se

asume ΔFt = 0 (hipótesis de líquido

ideal)


PRESION

La presión en un

punto es una magnitud

escalar y, por lo tanto,

es invariante

cualquiera que sea la

orientación del

elemento de

superficie.

Queda definida como

el cociente de dos

escalares FUERZA

sobre ÁREA.

𝑃 =𝐹

𝐴


PRESION MANOMÉTRICA Y PRESION ABSOLUTA


DENSIDAD, PESO ESPECÍFICO Y

GRAVEDAD ESPECÍFICA

LA DENSIDAD (ρ) representa

la masa de un fluido contenido

en una unidad de volumen.

𝐾𝑔𝑓 − 𝑠𝑒𝑔2

𝑚4Unidades en el Sistema Técnico:


EL PESO ESPECIFICO (γ) : Representa el peso de un

fluido por unidad de volumen.

𝜸 =𝒘

∀

Unidades en el Sistema Técnico: 𝑲𝒈𝒇

𝒎𝟑

𝜸𝑯𝟐𝑶 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝑲𝒈𝒇

𝒎𝟑= 𝟔𝟐. 𝟒

𝒍𝒃𝒇

𝒑𝒊𝒆𝟑 𝜸𝑯𝒈 = 𝟏𝟑 𝟔𝟎𝟎𝑲𝒈𝒇

𝒎𝟑

El peso específico para el agua potable y el mercurio se

toma como referencia


Kgf seg2/ m4

Densidad ρ

ρ 𝑎𝑔𝑢𝑎

Peso

especifico γ

Kgf / m3𝛾 𝑎𝑔𝑢𝑎


ρ aire

γ aire

Densidad ρ

Kgf seg2/ m4

Peso

especifico γ

Kgf / m3


La Gravedad Específica (g.e.).

También se conoce cómo peso

específico relativo ó densidad relativa;

se define como la relación entre la

densidad (o el peso específico) de un

líquido cualquiera y la densidad (o el

peso específico) del agua.


LA VISCOSIDAD

DEFINICIÓN:

La viscosidad de un fluido es una medida de su

resistencia a fluir o a ser deformados, como

resultado de la cohesión de sus moléculas.


LA VISCOSIDAD

OTRA DEFINICIÓN:

… La viscosidad es aquella propiedad mediante el cual éste ofrece resistencia al esfuerzo cortante.

… el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad.

(Libro de Streeter, Mecánica de Fluidos, Pg 8)


LA ECUACION DE NEWTON DE LA

VISCOSIDAD

𝝉 …. Esfuerzo tangencial o cortante𝒅𝑽

𝒅𝒚…. Gradiente de la velocidad

𝝁…. Viscosidad dinámica


LA VISCOSIDAD

VISCOSIDAD DINÁMICA (𝝁):

• En el S.I. la unidad es 𝑁−𝑠𝑒𝑔

𝑚2 ó pascal-seg:

La unidad c.g.s para la viscosidad dinámica es el poise:

1𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒 = 1𝑔𝑟𝑚

𝑐𝑚−𝑠𝑒𝑔= 1

𝑑𝑖𝑛𝑎−𝑠𝑒𝑔

𝑐𝑚2

• En el S.T. la unidad es 𝐾𝑔𝑓−𝑠𝑒𝑔

𝑚2

1𝐾𝑔𝑓−𝑠𝑒𝑔

𝑚2 = 98.0665 𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒


LA VISCOSIDAD

VISCOSIDAD CINEMÁTICA (𝝑):

𝜗 =𝜇

𝜌

• En el S.I. y en el S.T. la unidad es el 𝑚2

𝑠𝑒𝑔:

La unidad c.g.s para la viscosidad cinemática es el Stokes (st):

1𝑠𝑡𝑜𝑘𝑒 = 1𝑐𝑚2

𝑠𝑒𝑔= 1 × 10−4

𝑚2

𝑠𝑒𝑔


x 10-

4 x 10-

6


COMPRESIBILIDAD

Es una medida del cambio de volumen y por lo tanto de su densidad.

Se define como el cambio de presión dividido entre el cambio asociado al volumen (o densidad) por unidad de volumen (o densidad)


.,.,-- x 108 x 104


PRESIÓN DE VAPOR, CAVITACIÓN

Todos los líquidos tienden a evaporarse en la inmediata vecindad de la superficie libre.

De la misma manera algunas de las moléculas libres regresan al liquido, y pueden alcanzar un equilibrio cuando es igual el número de las que salen y las que regresan



Las moléculas que dejan el líquido dan lugar a la presión de vapor (Pv) que depende de la temperatura.

La presión del medio se llama presión existente (Pe).

Cuando la Pe = Pv, el liquido hierve y esta temperatura se denomina TEMPERATURA DE EBULLICIÓN



LA CAVITACIÓN, se presenta en conductos cerrados de paso de agua, cuando hay un estrechamiento disminuyendo considerablemente la Pe, acercándose a la Pv, y es cuando se desprenden burbujas de vapor (Zona A).

Estas burbujas de vapor son arrastradas a la Zona B donde la Pe es mayor entonces se produce la «implosión».

𝑃𝑣 ≅ 𝑃𝑒

𝑃𝑣 < 𝑃𝑒


TENSIÓN SUPERFICIAL, CAPILARIDAD



Tensión Superficial

Las fuerzas cohesivas entre las

moléculas dentro de un líquido,

están compartidas con todos los

átomos vecinos. Las de la

superficie, no tienen átomos por

encima y presentan fuerzas

atractivas mas fuertes sobre sus

vecinas próximas de la superficie.

Esta mejora de las fuerzas de

atracción intermoleculares en la

superficie, se llama tensión

superficial.


http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/surten.html#c4

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/surten.html#c1


Se define como TENSIÓN SUPERFICIAL (𝜎), al trabajo que debe realizarse para elevar moléculas en número suficiente del interior hasta la superficie libre para crear una nueva unidad de área.

𝝈 =𝑲𝒈𝒇−𝒎

𝒎𝟐 =𝑲𝒈𝒇

𝒎


Debido a la tensión superficial


Fuerza de

la presión

relativa

positiva

(EXTERNA)

Fuerza de la

presión dentro

de la gota de

agua o chorro

delgado

(INTERNA)

≤

Nótese cuando menor es el radio mayor es la

presión Ing. RAFAEL DE LA CRUZ CASAÑO

Debido a la tensión superficial, cuando un tubo de pequeño diámetro se sumerge en el agua, el agua moja el tubo porque la adhesión agua-tubo es mayor es mayor que la cohesión del agua; y el agua asciende una altura «h»



Calcular la altura aproximada a la que asciende el agua en un tubo capilar de diámetro «D» en contacto con la atmosfera.



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