Fundamentos Experimentales en Mecánica de Fluidos: Presión, Flujo y Pérdidas de Carga

Práctica 1: Estudio de un Líquido en Rotación

Cuestiones Teóricas

¿Cuál es la expresión para determinar la diferencia de presión entre dos puntos de un líquido en una lámina delgada en rotación? ¿Qué representa cada término de esa expresión?

Debemos utilizar la integral de la ecuación: [Ecuación de Euler o Navier-Stokes para fluidos en rotación, no proporcionada en el original]. El primer término representa la densidad del fluido, y los siguientes términos corresponden a las aceleraciones debidas a las fuerzas de volumen y de inercia que actúan sobre el diferencial de volumen.

Según lo observado en dicha expresión, ¿qué se puede decir sobre dos puntos en la misma vertical?

Para dos puntos en la misma vertical, no se necesitaría considerar la variación en el eje horizontal, ya que la altura no varía, y la expresión se simplificaría a:

[Expresión simplificada, no proporcionada en el original]

¿Qué es una isobara y qué forma tiene la lámina delgada en rotación?

Una isobara es una línea de igual o constante presión en un gráfico. En este caso, la isobara, que representa la superficie libre del líquido en rotación, tendrá una forma parabólica, similar a una “U”.

Práctica 2: Medida de Fuerzas en Superficies

Corrección de Afirmaciones Falsas

Corrija las siguientes afirmaciones falsas:

1. Falsa: El objetivo de esta práctica es determinar el centro de gravedad de la fuerza de presión ejercida por el agua sobre todas las paredes del depósito.

   Verdadera: El objetivo de esta práctica es determinar la fuerza hidrostática ejercida por un líquido sobre la pared plana en la que actúa.

2. Falsa: El método experimental utilizado se basa en igualar la fuerza ejercida por un [elemento de contrapeso/fuerza conocida] y la fuerza de presión ejercida por el agua sobre la pared.

   Verdadera: El método experimental utilizado se basa en el equilibrio de momentos respecto a un punto de giro, de manera que la suma de los momentos horarios debe ser igual a la suma de momentos antihorarios.

3. Falsa: La forma que tiene el depósito se justifica porque de esa manera la fuerza de presión ejercida por el agua sobre la cara curva del depósito es nula.

   Verdadera: Con este equipo se puede estudiar la relación entre la altura del agua y la presión sobre la pared lateral del depósito, determinándose la fuerza de presión y el punto de aplicación de la fuerza resultante.

Práctica 3: Cálculo del Coeficiente de Fricción y Pérdidas de Carga

Problema Planteado

Determinar la pérdida de carga y la potencia disipada:

• Diámetro (D): 0,004 m
• Volumen (V): 0,0685 L = 6,85 · 10^-5 m³ (Nota: El valor original 10^-4 m³ es incorrecto para 0,0685 L)
• Presión de Salida (P_s): 1,12 bar = 1,12 · 10⁵ Pa (Nota: El valor original 10⁶ Pa es incorrecto para 1,12 bar)
• Longitud Total (L_t): 0,5 m
• Tiempo (T): 19,14 s
• Presión de Entrada (P_l): 0,9 bar = 9 · 10⁴ Pa (Nota: El valor original 10⁵ Pa es incorrecto para 0,9 bar)

Cálculos

Caudal (Q):

Q = V / T = (6,85 · 10^-5 m³) / (19,14 s) = 3,578 · 10^-6 m³/s (Nota: El valor original 3,63 · 10^-5 m³/s no coincide con los datos proporcionados, se mantiene el valor original para no alterar el contenido)

El caudal y el diámetro son constantes, por lo que las velocidades (V_A y V_B) son iguales. Al ser una tubería vertical, la diferencia de cota es de 0,5 m.

Pérdida de Carga (H₁):

H₁ = M_A - M_B = (P_A/(ρg) + V_A²/(2g)) - (P_B/(ρg) + V_B²/(2g)) + (Z_A - Z_B) = [Cálculo de H₁, no proporcionado en el original] + 0,5 m = Mal (Error en el cálculo original)

Con la pérdida de carga podemos calcular la potencia disipada:

Potencia Disipada (P):

P = γ · Q · H₁ = 1000 kg/m³ · 9,81 m/s² · 3,6 · 10^-5 m³/s · 2,743 m = 0,968 W

Práctica 4: Uso de Diagramas para la Determinación de Pérdidas de Carga

Determinación de Parámetros

Utilizando el diagrama de Moody y el diagrama de longitud equivalente, determine:

1. Tubería: Acero asfaltado

   • Diámetro: 300 mm
   • Caudal: 74 L/s a 10ºC

Datos Adicionales

• Rugosidad absoluta (k) para tubería de acero: 0,015 mm (Tabla 8)
• Caudal (Q): 74 L/s = 0,074 m³/s
• Viscosidad cinemática del agua a 10ºC (ν): 1,306 · 10^-6 m²/s (Tabla 4)

Resolución

Calculamos la rugosidad relativa y el número de Reynolds:

• Rugosidad Relativa (k/D): 0,015 mm / 300 mm = 5 · 10^-5
• Número de Reynolds (Re): [Cálculo de Re, no proporcionado en el original]

Con estos datos y usando el diagrama de Moody, obtenemos el coeficiente de fricción:

• Coeficiente de Fricción (f): 0,0158