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OBJETIVOS

Analizar aplicaciones de los fluidos en movimiento

RESUMEN

En la práctica realizada el día lunes 7 de noviembre de 2011 con el objeto de analizar

las aplicaciones de los fluidos en movimiento contamos con agua, un ventilador, dos

hojas de papel, tijeras, lata vacía, clavo y regla. En esta práctica mayormente de

observación se realizaron 6 experimentos pequeños que nos mostraron las aplicaciones

principalmente de los teoremas de Torricelli y Bernoulli.

El primero consistió en soplar entre dos hojas de papel observamos que estas tendían a

unirse debido a la diferencia de presiones producida por el cambio de velocidad. En el

segundo soplamos debajo de un puente de papel y observamos que la parte superior este

se contrajo debido a que al aumentar la velocidad por debajo la presión en la parte

superior es mayor. En el tercer experimento colocamos una bola de pimpón en un

chorro de aire producido por un ventilador y observamos que la bola no caía sino que

seguía la dirección del flujo pues se producía una diferencia de presiones que

multiplicada por el área proyectada por la esfera generaba una fuerza de sustentación, la

cual a su vez se equilibraba con el peso, es por esto que la esfera se mantenía en

equilibrio vertical.

En el cuarto hicimos dos orificios a una lata vacía y al llenarla de agua observamos que

el alcance de ambos chorros al salir era el mismo, con este experimento confirmamos el

teorema de Torricelli. Los dos últimos experimentos fueron aplicaciones del teorema de

Bernoulli; en uno de ellos observamos las fuerzas de sustentación y arrastre que en

principio son las que mantienen en el aire a los aviones pues sometimos un modelo de

ala de avión a cambios de velocidad y y por ende de presión lo que proporciona la

fuerza de sustentación que mantiene al avión en vuelo. Por último observamos el tubo

de Venturi se observó que cuando el aire se movía dentro del tubo, había distintas

presiones en distintas secciones del mismo.

INTRODUCCIÓN

La hidrodinámica es el estudio de los fluidos en movimiento. Se dice que el movimiento

de un fluido es de régimen estacionario, cuando la velocidad en un punto del espacio

cualquiera no varía con el tiempo. Toda partícula que pasa por este punto tendrá

siempre la misma velocidad; en otro punto la partícula puede tener otra velocidad.

Admitiremos que el fluido no es viscoso, es decir que no hay rozamiento entre las capas

de fluidos que puedan dar lugar a pérdida de energía mecánica.

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Nuestro estudio de hidrodinámica se limitará solamente a los fluidos incompresibles, es

decir de densidad constante, no viscosos y en régimen estacionario.

Teorema de Bernoulli

Principio físico que implica la disminución de la presión de un fluido en movimiento

cuando aumenta su velocidad. Fue formulado en 1738 por el matemático y físico suizo

Daniel Bernoulli. El teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos con

flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede

demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe

verse compensado por una disminución de su presión.

El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, e indica en

esencia que donde la velocidad de un fluido es alta, la presión es baja y donde la

velocidad es baja, la presión es alta. Este principio es importante para la medida de

flujos, y también puede emplearse para predecir la fuerza de sustentación de un ala en

vuelo.

Esta ecuación se aplica de la siguiente manera:

Teorema de Torricelli

Si se tiene un depósito muy grande, abierto a la presión atmosférica, y se practica un

pequeño orificio a una profundidad h, la velocidad con la que sale el fluido del

recipiente está dada por:

La velocidad de salida es la misma que adquiere un cuerpo que cae libremente,

partiendo del reposo, desde la misma altura.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Hojas de papel paralelas

Consistió en sujetar dos hojas de papel con los dedos, dejando un espacio de

aproximadamente 2 cm y soplar entre ellas para luego anotar los resultados

observados.

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Puente de papel

Consistió en hacer un puente sencillo doblando una hoja de papel de mínimo 18 x 4

cm, colocarlo sobre la mesa y soplar debajo de el para luego registrar las

observaciones del experimento.

Bola de pimpón

Consistió en colocar una bola de pimpón en un chorro de aire producido por un

ventilador, cambiamos la dirección en la que va el aire del ventilador y registramos

las observaciones del experimento.

Teorema de Torricelli

Este experimento consistió en hacer dos orificios con un clavo en una lata vacía,

sobre la vertical a una altura h que a su vez fue la misma a la que se colocó la lata

por encima de la mesa. Llenamos de agua la lata vacía, dejamos que salga el agua

por los dos orificios y registramos el alcance que tiene el agua al salir de la lata.

Fuerzas dinámicas de sustentación y arrastre

Se conecta el equipo, luego encendemos el ventilador; en primera instancia, con

una baja intensidad. Aumenta progresivamente el flujo de aire y observamos qué

sucede con la pieza que simula al ala de un avión, si sube, baja o se mantiene en

equilibrio. Registramos lo observado.

Tubo de Venturi

Un tubo de Venturi acoplado con un ventilador que proporciona un flujo de aire y

una serie de mangueras conectadas en diferentes puntos del tubo y que terminarán

en un recipiente que contiene un líquido rojo, el fin de colocar éstas mangueras es

el de utilizarlas como manómetros, es decir, nos servirán para observar las

variaciones de presiones que dan a lo largo del tubo.

Primero encendemos el ventilador con una determinada intensidad, en ese momento

observaremos el líquido rojo dentro de las mangueras, es así como podremos

identificar donde las presiones manométricas son mayores o menores.

Este proceso se repite, utilizando el ventilador con diferentes intensidades

(diferentes velocidades de flujo) y registramos las observaciones.

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RESULTADOS

Hojas de papel paralelas

Lo que observamos es que al soplar entre las hojas estas tienden a unirse, esto sin

importar la dirección con la que las tomemos.

Puente de papel

Al soplar debajo de nuestro puente de papel lo que observamos es que la parte

superior de este mismo tendía a hundirse o arquearse. Esto sucedía por la diferencia

de presión que existía en la parte interior y exterior del puente; debido a la rapidez

del flujo de aire.

Bola de pimpón

Al colocar la bola en el flujo de aire se observó que se mantenía flotanto en el aire

mientras el ventilador estaba encendido y que mantenía una posición estable en el

aire. Lo mismo sucedía cuando cambiábamos la inclinación del ventilador, la esfera

permanecía estable deacuerdo a la dirección del flujo del aire.

Al apagar el ventilador la esfera no cayó verticalmente, sino que regresó a la boca

del ventilador.

Teorema de Torricelli

Lo que se observó es que al llenar de agua la lata el alcance que tenía el agua que

salía del primer agujero fue el mismo que tuvo al salir del segundo agujero ubicado

a una altura h por encima del primero.

Fuerzas dinámicas de sustentación y arrastre

Debido a la diferencia de presiones que existe entre la parte superior e inferior del

ala esta podía subir o bajar, lo pudimos observar también en la lectura que daban

los dinamómetros. Esta misma explicación es la que se utiliza en los aviones.

Tubo de Venturi

En este experimento se observó que cuando el aire se movía dentro del tubo de

Venturi, los manómetros adaptados a los lados del tubo, marcaban distintas

presiones en distintas secciones del mismo.

Se pudo observar además que en la zona donde el área del tubo es menor, se

producía una presión manométrica negativa, se veía como si el tubo succionara el

líquido de las mangueras e identificamos las zonas de mayor y menor presión.

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Imágenes de la práctica

Fig.1 Hojas de papel paralelas Fig.2 Puente de papel

Figs. 3 y 4 Bola de pimpón

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Fig.5 Teorema de Torricelli

Fig.6 Fuerzas de suspensión y arrastre

Figs. 7 y 8 Tubo de Venturi

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DISCUSIÓN

Lo que sucedió con las hojas al juntarse cuando ejercimos un cambio de velocidad de

flujo al soplar entre ellas que conllevó a su vez un cambio de presiones nos permitió

confirmar lo establecido por el teorema de Bernoulli haciendo que la presión en el

interior de las hojas sea menor a la de afuera.

Con el puente de papel lo que sucedió fue similar a lo que pasó en el caso anterior, la

diferencia de presión que se formó entre la parte superior e inferior de puente producido

por el flujo de aire que dimos al momento de soplar bajo el mismo, aumentó la

velocidad de flujo por lo que la presión en este punto sea menor a la de la parte de arriba

haciendo así que el puente empiece a curvarse. Entonces pudimos confirmar lo que

establece el teorema de Bernoulli.

La bola de pimpóntuvo el comportamiento observado debido a que cuando la

sometimos a un chorro de aire la velocidad en la parte superior fue mayor y por ende la

presión aumentó en la parte inferior se producía una diferencia de presiones que

multiplicada por el área proyectada por la esfera generaba una fuerza de sustentación, la

cual a su vez se equilibraba con el peso, es por esto que la esfera se mantenía en

equilibrio vertical.Cuando se apagaba el ventilador, ocurría lo contrario, por lo cual la

esfera no caía verticalmente sino que regresaba al ventilador. Una vez más observamos

el principio de Bernoulli.

Al trabajar con la lata vacía vimos que por ambos orificios por los que salía el agua, esta

tenía el mismo alcance, si nos damos cuenta este experimento es similar al que realizó el

mismo Torricelli y con las condiciones que usamos cumple su ecuación que establece

una relación directa entre la velocidad de salida y la altura.

Al realizar el experimento de las fuerzas de sustentación y arrastre nos dimos cuenta

de que es lo mismo que sucede con el ala de un avión que despega y luego aterriza. Las

alas están diseñadas para que obliguen al aire a fluir con mayor velocidad sobre la

superficie superior que sobre la inferior, por lo que la presión sobre esta última es mayor

que sobre la superior. Esta diferencia de presión proporciona la fuerza de sustentación

que mantiene al avión en vuelo.

En el experimento del tubo de Venturise observó una más de las aplicaciones del

teorema de Bernoulli pues vimos que en la zona donde el área del tubo es menor, se

producía una presión manométrica negativa y que cuando el aire se movía dentro del

tubo de Venturi, los manómetros adaptados a los lados del tubo, marcaban distintas

presiones en distintas secciones del mismo.

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CONCLUSIONES

En esta práctica principalmente de observación logramos analizar las aplicaciones de los

fluidos en movimiento basándonos en varios experimentos sencillos que a su vez nos

permitieron observar y confirmar lo establecido por los teoremas de Bernoulli y

Torricelli pues al ejercer un cambio de velocidad en el fluido también se produce un

cambio de presión lo que es aprovechado en la vida diaria.

Además con esta práctica pudimos entender que un avión permanece en el aire pues sus

alas están diseñadas para que obliguen al aire a fluir con mayor velocidad sobre la

superficie superior que sobre la inferior, por lo que la presión sobre esta última es mayor

que sobre la superior. Esta diferencia de presión proporciona la fuerza de sustentación

que mantiene al avión en vuelo.

BIBLIOGRAFÍA

Guía de Laboratorio de Física B. Revisión II

Física Principios con Aplicaciones, Douglas C. Giancoli, Sexta edición

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