ESTÁTICA DE FLUIDOS

OBJETIVO GENERAL

Verificar la ecuación fundamental de la estática de fluidos y comprobar el principio de Arquímedes.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Analizar el comportamiento de dos fluidos en un tubo “U”.

• Reconocer la presencia de la presión atmosférica sobre un líquido.

• Calcular la presión manométrica dentro de un fluido.

• Comprobar la ecuación fundamental de la estática de fluidos.

• Verificar experimentalmente la existencia del empuje o fuerza de flotación que sufre un cuerpo sumergido en un líquido.

• Comparar el empuje que recibe un cuerpo al sumergirse en líquidos diferentes.

• Determinar la densidad de sólidos aplicando el “Principio de Arquímedes”.

MATERIALES

• Tubo en “U”

• Picnómetro

• Densímetro

• Dinamómetro

• Probeta

• Regla

• 3 objetos de diferentes pesos

• Agua y aceite

MARCO TEORICO

Densidad:

Propiedad de sustancias sólidas, líquidas y gaseosas; es el medida de compactación de un material en un espacio determinado, entendido como la cantidad de masa por unidad de volumen.

Presión atmosférica:

Fuerza ejercida por el aire sobre cualquier punto de la superficie terrestre. Debemos considerar que todos los cuerpos generan una presión en cierta magnitud dependiendo de su estado, sólido, líquido o gaseoso.

Presión manométrica:

Indica la diferencia entre la presión de un punto determinado del fluido y la presión ejercida por la atmósfera. Es decir la resta entre la presión absoluta y la presión atmosférica.

Cuando la presión se mide con respecto a la presión atmosférica, se le conoce como presión manométrica; la lectura de esta presión es dada por un manómetro.

Presión absoluta:

Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o el cero absoluto Este término se creó debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un término absoluto unifica criterios.

Indica la suma de la presión manométrica con la presión atmosférica. Los instrumentos que miden la presión absoluta se llaman barómetros, usados por los meteorólogos.

Principio de Arquímedes:

Principio físico el cual afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja. Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons.

Donde E es el empuje , ρf es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa.

El empuje actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

Aplicaciones:

El principio de Arquímedes es utilizado para medir el volumen de sólidos de forma irregular. El funcionamiento del globo aerostático también se basa en este principio, en este caso el fluido en el cual se sumerge es el aire y el globo es empujado con una fuerza igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho objeto. Un globo de aire caliente, no vuela sino flota dentro del viento.

PROCEDIMIENTO

Primera parte

1. Medir la densidad del agua y el aceite

2. Depositar agua en el tubo en “U”

3. Verter aceite por un extremo.

4. Marcar en el tubo alturas iguales para el agua y el aceite

5. Agregar más aceite y tomar 5 mediciones distintas.

Segunda parte

1. Empleando el dinamómetro medir el peso de un objeto y luego medirlo dentro del agua

2. Medir el volumen del agua desalojada por el cuerpo

3. Encontrar la fuerza de Empuje

4. Repetir el proceso anterior con 3 objetos diferentes

ANÁLISIS DE DATOS

Tabla 1. Presiones del aceite y el agua con diferentes alturas

Altura aceite

H (m) Altura del agua

h (m) Presión del aceite

P1 (N/m2) Presión del agua

P2 (N/m2) % E

0,0284 0,024 233,78 235,2 0,60 %

0,0371 0,0307 305,40 300,86 1,48 %

0,0493 0,0432 405,83 423,36 4,13 %

0,0545 0,0471 448,64 461,58 2,80 %

0,0648 0,0556 533,43 544,88 2,10 %

En la Tabla 1, considerando el porcentaje de error, podemos observar que las presiones del agua y el aceite en el mismo punto de altura son iguales, aunque la altura de cada fluido es diferente, su densidad hace que sus presiones sean semejantes; es decir, aunque la altura del agua (h) es menor que la altura del aceite (H) la densidad del agua de 1000 kg/m3 y la del aceite 840 kg/m3 intervienen en la presión y como el aceite es menos denso permite que éste al ser introducido en el tubo en “U” flote sobre el agua y no se deposite en el fondo.

Tabla 2. Empuje y agua desalojada con diferentes pesos

Masa del cuerpo

(g) Peso en el aire (W1)

(Dinas) Peso en el agua (W2) (Dinas) Volumen del agua desalojada (cm3) Peso del agua desalojada (Dinas) Empuje

W1- W2 % E

65 63700 57820 6 5880 5880 0 %

51 49980 43610 7 6860 6370 7,7 %

40 39200 35280 4 3920 3920 0 %

En la Tabla 2, podemos observar que el peso de los elementos en el aire (W1), menos el peso de los estos en el agua (W2) es la fuerza de empuje, igual al peso del agua desalojada, este proceso es conocido como el Principio de Arquímedes el cual nos permite conocer el volumen de un sólido irregular.

Tabla 3. Empuje y aceite desalojado con diferentes pesos

Masa del cuerpo

(g) Peso en el aire (W1)

(Dinas) Peso en el aceite (W2) (Dinas) Volumen del aceite desalojado (cm3) Peso del aceite desalojado (Dinas) Empuje

W1- W2 % E

65 63700 58800 6,2 5103,84 5900 4,1 %

51 49980 44590 6,9 5680,08 5390 5,4 %

40 39200 35770 3,9 3210,48 3430 6,4 %

En la Tabla 3, considerando el porcentaje de error que se presenta, nos damos cuenta que nuevamente el peso del aceite desalojado y la fuerza de empuje es igual; comprobando que no importa el fluido en el cual el sólido se sumerja, la fuerza de empuje y el peso de

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