Universidad Católica Andrés Bello

Facultad de Ingeniería

Escuela de Industrial

Laboratorio de Mecánica de Fluidos

Profesor: Sebastián Ribis

RELACIÓN ENTRE PRESION, FUERZA Y

ELEVACION

Práctica 2.

Autores:

Añez, Juan Carlos.

Heredia, Simón.

Kerdel Matos, María I.

Caracas, Abril de 2009.

Introducción.

Al momento de realizar cualquier práctica en el laboratorio una

de las claves para llegar al buen desarrollo de la misma, es conocer

teóricamente las experiencias a realizar, es por eso que para este

caso en particular definiremos algunos conceptos básicos.

En esta práctica tiene como fin, comprobar que el peso

específico es la relación entre la presión ejercida por una columna de

líquido y la elevación respecto a un punto de referencia, así como la

presión es una fuerza por unidad de área.

Para la realización de esta práctica es necesario el uso de varios

instrumentos como lo son balanza, pesas, recipiente metálico,

manómetro de presiones relativas, sistema de bombeo.

Según los conocimientos previos conocemos que P (presión) es

fuerza sobre unidad de área, la presión representa la fuerza que se

ejerce en una determinada superficie en este caso de un fluido; lo cual

verifica que tanto la fuerza como la presión son proporcionales, es

decir, a mayor fuerza mayor presión, mientras que el área y la presión

son inversamente proporcionales.

A nivel de la materia a estudiar la presión ejercida es sobre un

fluido no tiene forma propia. Cuando un fluido se encuentra en un

envase ejerce una fuerza sobre las paredes, que puede denominarse

presión. Se dice que un fluido esta en equilibrio cuando la sumatoria

de todas las fuerzas ejercidas sobre él son iguales a 0. La dirección de

esa fuerza determina la dirección de la presión, por lo que significa que

si realizo el cociente de las dos hablamos de presión independiente, se

trata entonces de un escalar.

Tablas de Datos.

Experiencia

H max (m.)

Masa de los Pesos (g.)

1 1,65 2455

2 1,65 18303 1,65 21754 1,65 2578

Cálculos y Gráficos.

Luego de la obtención de los datos correspondientes se procedió

a realizar los siguientes cálculos:

(1)

Donde:

Δh es altura máxima menos altura mínima, la cual será siempre

constante con un valor de 1,39 m.

La densidad del agua es un valor constante de 1000 Kg/m3.

La aceleración de gravedad también un valor constante de 9,81

m/s2.

Y el área se calcula como:

Siendo el D = 6,1 cm. De esta manera el área queda como un

valor constante de 0,0029 m2.

Así aplicando la fórmula 1, la fuerza queda como un valor de

39,85 N.

Posteriormente, para calcular el peso del plato que contrarresta

la fuerza ejercida por el agua proveniente del tanque de llenado, se

procedió a realizar un promedio de los pesos en los diferentes

experimentos y a calcular los porcentajes de error arrojados entre la

fuerza ejercida por el agua y el peso colocado sobre la válvula para

contrarrestar dicha fuerza.

Experiencia

H max (m)

Masa de Pesos (g)

Masa Total (g)

Peso (m*g)

% Error

1 1,65 2455 3223 31.618 20.6582 1,65 1830 2598 25.486 36.0443 1,65 2175 2943 28.871 27.5514 1,65 2578 3346 32.824 17.630

Análisis de Resultados.

Según los cálculos obtenidos, podemos verificar que los

porcentajes de errores son relativamente altos lo cual significa que los

procedimientos utilizados para la realización de la práctica no fueron lo

suficientemente correcto, para adaptarse a la realidad. Cabe destacar

que dentro de los procedimientos incorrectos fueron los lanzamientos

de las pesas dentro del recipiente.

Teóricamente existe una relación lineal entre la fuerza y el peso

total (Peso que contrarresta la fuerza ejercida sobre la válvula).

Durante la experiencia dicha relación no fue totalmente lineal debido a

los errores presentes en cada experimento.

Conclusiones.

Después de la practica realizada se concluye que la presión es

una fuerza aplicada por unidad de área, en esta caso hablamos de

fuerza de empuje. Así mismo se pudo determinar el peso específico de

un fluido agua, es la relación entre la presión ejercida por una columna

del líquido y la elevación de esta respecto a un punto de aplicación

considerado. El peso específico viene dado en unidades de Newton

sobre metros cúbicos.

Durante la práctica se verifico que existe una relación entre el

peso y la fuerza ejercida por el agua, a pesar de los altos niveles de

error justificados anteriormente.

Recomendaciones.

Para disminuir el porcentaje de error al momento de pesar las

pesas, se puede utilizar una balanza que este mejor calibrada,o que

sea electrónica. Al mismo tiempo tratar en lo posible de no tocar el

plato o no dejarlo caer durante y luego del experimento, y eso

permitirá que la válvula no se dispare antes de que venza la fuerza.

Al momento de colocar los pesos tratar de no tirarlos para que

no exista una gran diferencia entre la fuerza en cada uno de los

intentos, a su vez que sea una sola persona la cual realice el

experimento de colocar las pesas para así mantener una linealidad.

Preguntas Teóricas.

1) ¿Por qué se llena el tanque superior del sistema?

2) ¿Cómo se calcula la presión del tanque presurizado?

3) ¿Por qué ocurre un oleaje en el tanque de llenado?

Fundamentos y respuestas a preguntas teóricas.

El sistema de bombeo por golpe de ariete presentado en el

laboratorio, tiene mayor significación en sistemas a baja presión, como

fue el caso del estudiado.

El golpe de ariete es una fuerza destructiva que se presenta en

cualquier sistema de bombeo, cuando el caudal cambia

repentinamente por cualquiera que sea la causa. Para que este golpe

pueda producirse, se deben hacer ciertas suposiciones, las más

relevantes son:

El fluido dentro de la tubería se comporta como un cuerpo

elástico, de densidad homogénea y siempre está en estado

líquido.

Las velocidades y presiones dentro de la tubería se distribuyen

uniformemente a lo largo de toda la sección transversal de la

misma.

La presión de la velocidad del fluido es despreciable en

comparación con los cambios de presión producidos por el golpe

de ariete.

Para poder contrarrestar este golpe de ariete se tienen

diferentes métodos e instrumentos, entre ellos están:

Los sistemas de bombeo de alta y baja presión: Las velocidades

de desplazamiento en condiciones estables tanto en los sistemas de

alta como en los de baja presión son aproximadamente iguales. Sin

embargo, los cambios de presión son proporcionales a la velocidad con

que se cambia la velocidad de la masa de agua contenida dentro de la

tubería. Por lo tanto, dado un cambio de velocidad especifico dentro de

la unidad del tiempo, el cambio de presión que resulta en los sistemas

de alta y baja presión es del mismo orden de magnitud. Por lo tanto,

una elevación en la presión por una cantidad dada, representara un

aumento en mayor proporción dentro del sistema de baja presión, que

lo que este mismo aumento de presión representara dentro de un

sistema de alta presión.

El instrumento utilizado en la práctica para contrarrestar el golpe

de ariete, fue el siguiente:

Válvula de retención: estas se pueden agrupar en dos clases: de

cierre rápido y de cierre lento. El requisito más importante de una

válvula de retención es, que al ocurrir la interrupción de la corriente,

esta se cierre con una rapidez tal que no se establezca una circulación

inversa apreciable. Si debido a las características de circulación del

sistema y al diseño de la válvula de retención no se puede cumplir con

el anterior objetivo, se tiene que recurrir a unos dispositivos que sean

capaces de amortiguar el cierre de la válvula, ya sea en su totalidad o

en su finalización.

Esto que se nombra al final, es lo que justamente ocurre en la

práctica, al cerrarse la válvula de retención ocurre una circulación

inversa apreciable del sistema, por la presión ejercida sobre la válvula

y la fuerza con la que viene el fluido del tanque abierto, ocurre un

bombeo o circulación inversa del fluido por la tubería, para

descargarse en el tanque superior.

Imagen 1. Sistema de bombeo por golpe de ariete, donde se observa

una cámara de aire, y dos tuberías, una de llenado y otra de descarga.

Otro elemento utilizado para disminuir el efecto del golpe de

ariete es una cámara de aire en un envase conectado a la tubería de

llenado y también a la tubería de descarga (tubería que va al tanque

superior). Esta cámara de aire es un dispositivo eficaz para controlar

para controlar las fluctuaciones de presión en la tubería de descarga.

Esta se encuentra cerca de la estación de bombeo. La parte inferior,

como se pudo observar, contiene agua, y la parte superior, aire

comprimido. Cuando ocurre una interrupción de la corriente, la carga

producida por el tanque de llenado bajo con rapidez. El aire

comprimido de la cámara se expande y expulsa el agua por el fondo de

la cámara hacia el tubo de descarga (que va al tanque superior), de

esta manera se minimizan los efectos de cambios de velocidad y los

efectos del golpe de ariete en el tubo.

Esta cámara o pequeño tanque presurizado, con aire comprimido

tiene una presión por la fuerza en la que el agua se bombea. Esta

presión puede calcularse mediante un manómetro de cubeta para

presiones relativas que se encuentra conectado al tanque presurizado,

el cual señala la presión relativa a la que se encuentra el aire

comprimido dentro de la cámara con respecto a la presión atmosférica,

registra todos los cambios repentinos de presión, como también

cuando la presión relativa se mantiene constante por un período de

tiempo.

Otra forma de calcular la presión del tanque presurizado es

mediante la técnica de manometría, sabiendo la presión a la que está

el agua en el tanque de llenado, y posteriormente sabiendo las alturas

a las que se encuentran, es decir el tanque de llenado en referencia al

tanque presurizado, y conociendo la densidad del fluido, se puede

calcular mediante la siguiente fórmula:

(1)

Donde ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración de la

gravedad y h es la altura relativa entre los fluidos.

Se sabe que el tanque de llenado se encuentra a una

determinada altura con respecto a la base del sistema, y que tiene un

orificio de descarga en una de sus esquinas (tanque en forma de

paralelepípedo) en el fondo del tanque. Cuando este tanque está

completamente lleno del fluido (agua) hasta un borde determinado,

este límite se mantiene constante mientras se mantenga el llenado y

vaciado se mantenga constante, es decir que el flujo sea uniforme.

Cuando el llenado se detiene pero el vaciado continúa, el flujo deja de

ser uniforme, y el fluido genera un oleaje dentro del tanque de llenado.

El oleaje se ha definido como el movimiento periódico de la superficie

libre de un líquido en un contenedor, o tanque parcialmente lleno.

Este oleaje ocurre debido al cambio en el flujo de ser uniforme a

no uniforme, y de la forma como se está vaciando el tanque, por un

orificio que se encuentra localizado en una esquina inferior del tanque.

Es decir que el oleaje es causado por el repentino cambio de flujo (de

uniforme a no uniforme) y por la condición de vaciado del tanque por

un extremo del mismo, el agua que se encuentra próximo al orificio de

vaciado es succionado rápidamente, mientras que el agua que se

encuentra al otro lado del tanque en la parte superior se mantiene

estable, y así se produce el oleaje dentro del tanque.

Imagen 2. Oleaje producido en un tanque por la acción del vaciado

del mismo por la parte inferior de este.

Referencias Web.

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/ golpedearieteenbombas/golpearieteenbombas.htm . Vista por última vez: 20 de abril de 2009.

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/ golpedeariete/golpedeariete.html. Vista por última vez: 20 de abril de 2009.

http://www.ccquito.org/content/view/76/54/ . Vista por última vez: 20 de abril de 2009.

http://www.monografias.com/trabajos15/manometros/ manometros.shtml. Vista por última vez: 20 de abril de 2009.

http://mx.geocities.com/leon_df/manometros.html . Vista por última vez: 20 de abril de 2009.