VISCOSIDAD POR MÉTODO DE STOKES

VISCOSIDAD POR MÉTODO DE STOKES

María Isabel Gómez, Estefany Portillo, Giselle Palomino Dorado, Juan David Romero, Ana Burbano

mariaig@unicauca.edu.co, pestefany@unicauca.edu.co, rdavid@unicauca.edu.co, alejapalo@uniacuauca.edu.co, aydaza@unicauca.edu.co 

Laboratorio de Física de Fluidos. FIET, Universidad del Cauca. Popayán, Colombia.

Resumen

Este informe de laboratorio tiene como objetivo principal dar a conocer sobre el estudio de la viscosidad de un líquido, con un par de materiales utilizando el método de Stokes, permitiendo comprender porque una sustancia tiene mejor o peor respuesta en diferentes ambientes y medios, bajo diferentes condiciones térmicas, entre otros.; para ello, se utilizaron dos métodos diferentes de medición; para ello se realizó un procedimiento para dos líquidos diferentes. El método consistió en tomar dos diferentes tipos de líquidos, medir una altura inicial y final la cual recorrerá los balines en el tubo que contiene el líquido problema, tomando el tiempo que demora cada esfera en recorrer esta distancia, antes de tomar el tiempo se procede a tomar el diámetro y  peso para obtener el volumen y el radio de dichas esferas, esto se realizó para cada balín, en su totalidad eran 10, después se pasa a determinar la densidad y temperatura con los densímetros y termómetro de cada líquido, a partir de estos resultados, se determinó la viscosidad de los líquidos problema. Los resultados de la práctica fueron favorables de acuerdo a los objetivos propuestos para la misma.

Índice de términos- Densidad, Viscosidad, Temperatura, Volumen, Ley de Stokes, Fuerza.

1. INTRODUCCIÓN

La medida de la viscosidad es primordial para determinar cómo se comporta un fluido a diferentes ambientes y medios, siendo ésta una manera de medir la resistencia del fluido a deformarse o es la resistencia que tiene un fluido a circular o fluir;  el desarrollo de esta práctica tiene como finalidad determinar la viscosidad de dos líquidos utilizando un método para ambos; a partir de estos resultados, discutir cuál de los métodos de medición es el más apropiado para determinar experimentalmente cuál es la viscosidad de cualquier líquido empleando a ley de Stokes. La práctica también permite analizar si la viscosidad obtenida se aproxima a la viscosidad estándar, si son diferentes poder determinad el porqué de esta diferencia. Para el desarrollo óptimo de la práctica se hizo necesario el conocimiento de algunos conceptos estudiados en el curso de Física de Fluidos cursado en periodos anteriores, algunos de los cuales se evidencian posteriormente en el desarrollo teórico.

MARCO TEÓRICO

Fluido: se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por algunas sustancias entre cuyas moléculas hay fuerzas de atracción débil. Los fluidos se caracterizan por cambiar de forma sin que exista fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma “original”. Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienes unidas entre sí por fuerzas cohesivas débiles y/o a las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases.

La densidad de los líquidos se mide de una manera similar a como se midió la densidad de los sólidos. En este caso también se emplearán dos  métodos: el de la probeta y el del principio de Arquímedes. Es necesario tener en cuenta la temperatura porque ésta influye en el valor de la densidad.

   (1) Ecuación de la densidad.[pic 1]

Donde m es la masa de una muestra de la sustancia y V su volumen. La densidad es una propiedad característica de cualquier sustancia pura. Los objetos hechos de una sustancia en estado puro, como el oro, pueden tener cualquier tamaño o masa, aunque su densidad siempre será la misma. A veces emplearemos el concepto de densidad 1.  Para denotar la masa de un objeto como

 (2)[pic 2]

Y el peso de un objeto como

 (3)[pic 3]

La unidad del SI para la densidad es kg/m3. En ocasiones las densidades están dadas en g/cm3. Observe:[pic 4][pic 5]

Por  lo que una densidad expresada en g/cm3 debe multiplicarse por 1000 para dar el resultado en kg/m3.Así la densidad del aluminio es ρ = 2.70 g/cm3, que es igual a 2700 kg/m3. Las densidades de varias sustancias se presentan en la tabla 1.

[pic 6]

Tabla 1 Densidades de Sustancias

Viscosidad, La viscosidad es el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a deslizar sobre otra, La viscosidad de un fluido se representa por la letra griega η y se expresa en el SI como Pascal –segundo (Pa.s) que corresponde a  o ; y en el sistema c.g.s. por medio de Poise que corresponde a [pic 7][pic 8][pic 9][pic 10]

Para determinar la viscosidad se considera el flujo laminar de un fluido real que está confinado a moverse entre dos placas de extensión infinita, como se ve en la figura 1, de manera que el rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad.

[pic 11]

Figura 1,  Deformación de un fluido bajo la acción de una fuerza cortante.

Ley de Stokes, se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso, en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. Fue obtenida en 1851 por George Gabriel Stokes tras resolver un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes. En general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas.

Según la Ley de Stokes, la fuerza resistente que experimenta una esfera lisa de radio r moviéndose a velocidad constante v en un fluido con viscosidad, está dada por la ecuación 4.

   (4)[pic 12]

En su movimiento la esfera experimenta la acción de dos fuerzas verticales: su peso y el Empuje, razón a lo anterior, la fuerza resistente (sin considerar las paredes del tubo) sobre la esfera va a adquirir una velocidad constante, ver ecuación 5:

   (5)[pic 13]

Donde m es la masa de la esfera, g es la gravedad,  ρ es la densidad del fluido y V es el volumen de la esfera.

...