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HIDRÁULICA
Ing. RAFAEL DE LA CRUZ CASAÑO
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https://www.youtube.com/watch?v=Vd2BJ9R9QywVIDEO DE PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS, UPV
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EL AGUAincolora, inodora y sin sabor, aun así, ningún ser viviente puede sobrevivir sin ella. Las plantas, los animales y los seres humanos están compuestos en su mayoría por agua (alrededor de dos tercios del cuerpo humano está compuesto por agua). Ahora veamos porque las características del agua son únicas y especiales para la vida
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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.
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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.
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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
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HIDRAULICA
La hidráulica es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en equilibrio (estática) o en movimiento acelerado (dinámica), mediante principios de la mecánica general.
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Con las leyes que resultan, se está en la posibilidad de explicar los fenómenos observados y predecir de manera aproximada el comportamiento de los fluidos bajo una serie de condiciones.
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Las leyes se obtienen mediante el análisis matemático y la experimentación.
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LOS FLUIDOS Y SUS PROPIEDADES
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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.
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SISTEMAS DE UNIDADES Los dos Sistemas de
Unidades más utilizados son:
1) SISTEMA INTERNACIONAL (SI):Se le conoce como el SISTEMA ABSOLUTO ó SISTEMA CIENTÍFICO INTERNACIONAL.
Las magnitudes fundamentales son: L,M,T. Es un sistema másico, porque la masa en él es fundamental mientras que la fuerza es una magnitud derivada.
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SISTEMA INTERNACIONAL
Para expresar la FUERZA en el S.I.
( Segunda ley de Newton)
N (N: Newton; Kg: Kilogramo-masa)
• Para expresar la PRESIÓN en el S.I.
( Pa : Pascal)
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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.
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SISTEMA TÉCNICO
• Para expresar la MASA en el S.T.
1 UTM =
donde: UTM … Unidad Técnica de Masa
• Para expresar la PRESIÓN en el S.T.
𝑈𝑇𝑀=𝐾𝑔𝑓 −𝑠2
𝑚
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RESUMEN DE LAS PRINCIPALES SISTEMAS DE UNIDADES:
SISTEMA LONGITUD
MASA TIEMPO
FUERZA TEMPERATURA
SISTEMA ABSOLUTOS.I.
m Kg s
SISTEMAGRAVITACIONALS.T.
m UTM sKgf
ABSOLUTOINGLES
pie Lbm s
GRAVITACIONALINGLES
pie Slug slbf
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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
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LOS FLUIDOSOTRA 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)
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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.
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
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 libre
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
Los líquidos ofrecen gran resistencia al cambio de volumen pero no de forma ; y los gases ofrecen poca resistencia al cambio de forma y volumen.
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
Por los tanto el comportamiento de los líquidos y gases es análogo en conductos cerrados (tuberías) pero no en conductos abiertos (canales).
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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.
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
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.
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
Los fluidos llamados NO NEWTONIANOS la variación entre los esfuerzos tangencial y la rapidez de la deformación angular no es lineal, pues depende del tiempo de exposición al esfuerzo (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.
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FUERZAS EN EL INTERIOR DE UN FLUIDO Una porción de un fluido en
movimiento se aísla idealmenteEl 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».
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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».
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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)
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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=𝐹𝐴
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PRESION MANOMÉTRICA Y PRESION ABSOLUTA
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DENSIDAD, PESO ESPECÍFICO Y GRAVEDAD ESPECÍFICA
LA DENSIDAD (ρ) representa la masa de un fluido contenido en una unidad de volumen.
[𝐾𝑔 𝑓 −𝑠𝑒𝑔2𝑚4 ]Unidades en el Sistema Técnico:
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EL PESO ESPECIFICO (γ) : Representa el peso de un fluido por unidad de volumen.
𝜸=𝒘∀
Unidades en el Sistema Técnico: [ 𝑲𝒈𝒇𝒎𝟑 ]
𝜸𝑯𝟐𝑶=𝟏𝟎𝟎𝟎
𝑲𝒈 𝒇𝒎𝟑 =𝟔𝟐 .𝟒
𝒍𝒃 𝒇𝒑𝒊𝒆𝟑 𝜸𝑯𝒈=𝟏𝟑𝟔𝟎𝟎
𝑲𝒈 𝒇𝒎𝟑
El peso específico para el agua potable y el mercurio se toma como referencia
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Kgf seg2/ m4
Densidad ρ
Peso especifico γ Kgf / m3
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ρ aire
γ aire
Densidad ρ
Kgf seg2/ m4
Peso especifico γ Kgf / m3
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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.
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LA VISCOSIDADDEFINICIÓN:
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.
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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)
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LA ECUACION DE NEWTON DE LA VISCOSIDAD
…. Esfuerzo tangencial o cortante…. Gradiente de la velocidad…. Viscosidad dinámica
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LA VISCOSIDAD
VISCOSIDAD DINÁMICA ():
• En el S.I. la unidad es ó pascal-seg:
La unidad c.g.s para la viscosidad dinámica es el poise:
• En el S.T. la unidad es
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LA VISCOSIDAD
VISCOSIDAD CINEMÁTICA ():
• En el S.I. y en el S.T. la unidad es el :
La unidad c.g.s para la viscosidad cinemática es el Stokes (st):
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x 10-
4 x 10-
6
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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)
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.,.,-- x 108 x 104
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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
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PRESIÓN DE VAPOR, CAVITACIÓN
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
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PRESIÓN DE VAPOR, CAVITACIÓN
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≅ 𝑃𝑒𝑃𝑣<𝑃𝑒
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TENSIÓN SUPERFICIAL, CAPILARIDAD
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TENSIÓN SUPERFICIAL, CAPILARIDAD
Tensión SuperficialLas 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.
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TENSIÓN SUPERFICIAL, CAPILARIDAD
Se define como TENSIÓN SUPERFICIAL (), al trabajo que debe realizarse para elevar moléculas en número suficiente del interior hasta la superficie libre para crear una nueva unidad de área.
=
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TENSIÓN SUPERFICIAL, CAPILARIDAD
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Debido a la tensión superficial
TENSIÓN SUPERFICIAL, CAPILARIDAD
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
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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»
TENSIÓN SUPERFICIAL, CAPILARIDAD
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Calcular la altura aproximada a la que asciende el agua en un tubo capilar de diámetro «D» en contacto con la atmosfera.
TENSIÓN SUPERFICIAL, CAPILARIDAD
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