Laboratorio de Mecánica de Fluidos

Laboratorio de Mecánica de Fluidos I

Propiedades Físicas de los Fluidos: a) Densidad y Gravedad específica, b) Viscosidad y c) Capilaridad, y d) Medición de presión

3 de Noviembre del 2018

Baque Medina Luis Fernando

Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)

Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)

Guayaquil – Ecuador

lfbaque@espol.edu.ec

Resumen

En esta práctica se determinó la densidad y la gravedad específica de cuatro fluidos, junto con la viscosidad de dos de ellos, específicamente dos aceites, para lo cual se utilizó un hidrómetro y tres esferas de acero. Para determinar la gravedad relativa se sumergió el hidrómetro en los fluidos, mientras que para determinar la viscosidad dinámica y cinemática se dejó caer las tres esferas en cada uno de los dos aceites, para luego mediantes el análisis de fuerzas, determinar de manera indirecta aquellos valores. Llegando así a conocer que el agua era el líquido más denso con el que se trabajó y que el aceite EP 90 era el menos viscoso ya que las esferas caían a mayor velocidad en este fluido. Además se observó el efecto de la capilaridad entre dos placas planas y su dependencia de la distancia entre estas placas.

Palabras claves: densidad, hidrómetro, gravedad específica, viscosidad, capilaridad.

Abstract

In this practice, the density and specific gravity of four fluids were determined, together with the viscosity of two of them, specifically two oils, for which a hydrometer and three steel spheres were used. To determine the relative gravity, the hydrometer was immersed in the fluids, while to determine the dynamic and kinematic viscosity, the three spheres were dropped in each of the two oils, and then through the analysis of forces, indirectly determine those values. Thus, it was known that water was the densest liquid with which it was worked and that EP 90 oil was the least viscous since the spheres fell faster in this fluid. In addition, the effect of capillarity between two flat plates and its dependence on the distance between these plates was observed.

Keywords: density, hydrometer, specific gravity, viscosity, capillarity.

Introducción

Debemos saber que la mecánica de fluidos es la ciencia que se encarga del estudio de los fluidos en reposo pero también en movimiento, en el primer caso se denomina estática de fluidos mientras que a el segundo se lo conoce como dinámica de fluidos, incluyendo también la interacción de los distintos fluidos con superficies sólidas. Es así que durante el estudio de los fluidos se han definido varias propiedades como densidad, gravedad específica, viscosidad, presión y  fenómenos conocidos como tensión superficial y capilaridad. 1

Densidad

Esta propiedad  denotada como ρ determina la cantidad de masa que hay por unidad de volumen en una sustancia o material y está definida como:

                           Ecu. 1[pic 1][pic 2]

Donde m es la masa y V es el volumen.

Gravedad especifica

Esta propiedad está definida como la razón existente entre la densidad de una sustancia en particular y la densidad una sustancia estándar (generalmente agua).

                           Ecu. 2[pic 3]

Donde S es la gravedad específica (adimensional), ρl es la densidad del líquido a determinar (en Kg/m3), ρw es la densidad del agua (1000 Kg/m3). 2

Viscosidad

La viscosidad μ (Kg/m.s) o también viscosidad dinámica es una propiedad que tiene que ver con la resistencia interna que un fluido presenta al movimiento o la fluidez, se da entre capaz adyacentes de un fluido o entre el fluido y una superficie sólida. Mientras que la fuerza de arrastre es aquella que se crea y actúa sobre un cuerpo cuando este se mueve en un fluido y es dependiente de la viscosidad. 3

Cuando una esfera se mueve por acción de la aceleración gravitacional dentro de un fluido, se crean tres fuerzas actuando sobre este, como se observa en la fig. 11

[pic 4]

Fig. 1. Fuerzas actuando sobre una esfera movimientos en un fluido

mg = peso de esfera [N].

Fv = fuerza por fricción viscosa (o arrastre) [N].

Fv = fuerza de empuje [N].

Haciendo un balance de fuerzas tenemos:

     Ecu. 3[pic 5]

El peso de la esfera puede ser expresado como:

      Ecu. 4[pic 6]

Donde m = masa de la esfera [Kg],

g = aceleración de la gravedad [m/s2],

ρs= densidad de la esfera [Kg/m3] y

 r = radio de la esfera [m].

La fuerza de empuje la podemos expresar como:

       Ecu. 5[pic 7]

Donde FB = fuerza de empuje [N],

ρl= densidad del fluido [Kg/m3],

g = aceleración de la gravedad [m/s2],

r = radio de la esfera [m].

De acuerdo a la ley de Strokes la fuerza de fricción viscosa puede expresarse como:

          Ecu. 6[pic 8]

Donde Fv = fuerza de fricción viscosa [N],

μ = coeficiente de viscosidad [Kg/m.s],

r = radio de la esfera [m] y

u = velocidad promedio de la esfera [m/s]

Reemplazando en la Ecu. 3 tenemos:

   Ecu. 7[pic 9]

Despejando el coeficiente de viscosidad dinámica μ tenemos que:

            Ecu. 8[pic 10]

Donde la velocidad promedio (u) la podemos calcular como:

        Ecu. 9[pic 11]

              Ecu. 10[pic 12]

Viscosidad cinemática

Está definida como la relación existente entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido, es decir:

             Ecu. 11[pic 13]

Donde ν es la viscosidad cinemática, μ es el coeficiente de viscosidad dinámica [Kg/m.s] y ρ es la densidad [Kg/m3]. 2

Capilaridad

Este fenómeno es un efecto de la tensión superficial, se da cuando un determinado líquido, que se encuentra en un tubo de diámetro muy angosto o tubo capilar, tiende a ascender. Cuando sucede esto la parte superior del líquido presenta una curvatura, denominada menisco y para cuantificar  de cierta manera se utiliza el ángulo de  contacto φ que se lo define como el ángulo que forma una línea tangente al líquido con él la superficie solida justo en el punto de contacto como se muestra en la fig. 2. Cuando φ < 90º se dice que el líquido moja la superficie, mientras que cuando φ > 90º se dice que no la moja. 1

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