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PLAN DE TRABAJO I. IDENTIFICACIÓN

Asignatura: MECANICA DE FLUIDOS I

Sigla: MEC 2245 Facultad: FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA Carrera: INGENIERIA MECANICA Y ELECTROMECANICA

Pre-requisitos: MAT 1207 Ecuaciones Diferenciales I

Nivel: Licenciatura

Horizontal: MEC 2244 Termodinámica Técnica I

Vertical: MEC 2249 Mecánica de Fluidos II

Gestión o período lectivo: II/2017

Duración: Un semestre académico (20 semanas)

Carga horaria semanal: 6 horas académicas/semana

Horario: LUNES 10:15 - 12:30; JUEVES 14:00-16:15 MIERCOLES 08:30-09:30

Aula: No. 9 No. 2 CONSULTAS (SALA DOCENTE)

Nombre del docente: Emilio Rivera Chávez

Grados académicos:

Ingeniería Mecánica (FNI-UTO); Dipl.CAE (UMSS-UTO); Esp. Ing.

Mantenimiento (ISPJAE-UTO)), Diplomado Educación Superior (UMSA),

Diplomado TICs (FNI-UTO, Experto Universitario en Cooperación

Universidad Empresa (CAEU-CSIC-UPV.- España). Especialista en

ELearnig. (ISPI.-International Society for Performance Improvement-

ITSON-México). Experto Universitario en Elaboración y Gestión de

Proyectos de Investigación (CAEU- CSIC-UPV.-España).Esp. Gestión de

Calidad y Mejoramiento Continuo-TQM (DGQ-Alemania), Auditor de

Sistemas de Calidad Pymes-ISO 9000 (DGQ-Alemania); Estudios de

Maestría en Ingeniería de Mantenimiento Industrial (ISPAJAE-UTO).

Experto en Divulgación y Cultura Científica ( Universidad de Oviedo,

España).

Dirección: Cochabamba No. 480 Teléfono: 52-54754

Consultas: Email: satii@entelnet.bo

http://erivera-2001.com

Fecha de presentación: 31-07-2017

II. JUSTIFICACION

MEC-2245A Mecánica de fluidos I, es la primera parte del estudio de esta ciencia en el programa de

Ingeniería Mecánica y su finalidad es revisar los principios que rigen el movimiento mecánico de los fluidos y

su aplicación a la solución de problemas prácticos y de aplicación industrial. Constituye la base para el

estudio de materias del ámbito tecnológico como ser: Máquinas hidráulicas, Térmicas y Neumáticas. Pocos

sistemas mecánicos industriales pueden prescindir de la acción dinámica y/o térmica de un fluido, esto hace

que el estudio de esta ciencia, Mecánica de Fluidos, sea imprescindible en la formación integral de un

ingeniero mecánico para que se desempeñe en la industria con solvencia y creatividad.

III. PROPOSITOS

Comentario: Aquí se exponen los logros del proceso docente_educativo que se esperan alcanzar, en cuanto se refiere al

desarrollo de competencias generales y técnico-especificas por parte del estudiante, a lo largo del desarrollo de la

asignatura en el presente semestre.

Durante el desarrollo de la asignatura se pretende que el alumno adquiera los conocimientos básicos y

fundamentales del comportamiento mecánico de los fluidos y su efecto sobre su entorno, que le permitan

diseñar y analizar sistemas de movimiento fluido y continuar aprendiendo.

Mediante la realización de experiencias prácticas y el análisis de resultados, el estudiante aprenderá a

discriminar los resultados teóricos de los prácticos y comprenderá la relación de contribuciones mutuas

entre la teoría y la práctica en la mecánica de los fluidos. Se espera también desarrollar competencias

interpersonales como ser: la habilidad del alumno para participar y dirigir equipos de trabajo; así como para

expresarse oralmente.

IV. OBJETIVOS TERMINALES

Comentario: Se expresan aquí los objetivos, derivados de los propósitos; es decir, aquello que el alumno deberá ser

capaz de hacer al finalizar el semestre.

Las siguientes habilidades y capacidades desarrollará el alumno en el curso de Mecánica de Fluidos I:

Verbalización conceptual de los principios que rigen el movimiento fluido.

Planteamiento lógico de la solución de problemas de mecánica de fluidos.

Análisis crítico de sistemas de flujo fluido dados para su mejoramiento

Diseño de sistemas de flujo fluido prácticos, confiables y eficientes

Capacidad para la planificación, montaje, puesta en marcha, toma de datos y análisis de resultados

de pruebas experimentales de sistemas de flujo fluido.

UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO

FACULTADA NACIONAL DE INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTROMECANICA

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V. SELECCIÓN Y ORGANIZACIÓN DE CONTENIDOS

Unidad 1 INTRODUCCION A LA MECANICA DE LOS FLUIDOS

Objetivos: Al cabo de esta unidad temática el estudiante estará capacitado para: Explicar la importancia de la mecánica de los fluidos en el desarrollo de los sistemas de

Ingeniería Mecánica.

Verbalizar los conceptos fundamentales en que se basa la ciencia de la Mecánica de Fluidos.

Definir compresibilidad, presión, densidad, peso especifico, densidad relativa (gravedad específica).

Explicar las relaciones entre peso específico, gravedad específica y densidad.

Evaluar la consistencia dimensional de las ecuaciones analíticas que expresan el movimiento fluido.

Definir operacionalmente un fluido.

Explicar la diferencia técnica entre líquido y gas.

Definir viscosidad dinámica y viscosidad cinemática y explicar cómo están relacionadas estas propiedades.

Explicar la diferencia entre fluido Newtoniano y no Newtoniano.

Explicar la variación de la viscosidad con la temperatura tanto para fluidos como para gases.

Describir la viscosidad de lubricantes utilizando los números de viscosidad SAE y los grados de viscosidad ISO.

Contenido

:

1.1 La ciencia de la mecánica de los fluidos: Resumen histórico

1.2 Definición de fluido

1.3 Los fluidos y el medio continuo

1.4 Principio de homogeneidad dimensional

1.5 Principio de viscosidad de Newton.- coeficiente de viscosidad

1.6 Propiedades de los fluidos.

1.7 Fuerzas másicas y superficiales

1.8 Magnitudes escalares, vectoriales y tensoriales.- Campos asociados al flujo fluido.

Unidad 2 HIDROSTATICA

Objetivos: El estudiante será capaz de: Describir las condiciones necesarias para que una masa fluida se encuentre en estado de

equilibrio.

Explicar la distribución de presiones en el seno de un fluido en equilibrio

Definir la relación entre presión absoluta, presión manométrica y presión atmosférica.

Explicar la variación de la presión en un fluido con la elevación.

Describir las propiedades del aire atmosférico estándar.

Describir las propiedades del aire atmosférico a elevaciones desde el nivel del mar hasta 30000 m.

Describir cómo funciona un manómetro y como es utilizado para medir la presión.

Describir diferentes tipos de manómetro: tubo en U, diferencial, tipo pozo, tipo pozo inclinado.

Describir varios tipos de medidores y transductores de presión.

Calcular las fuerzas que se desarrollan sobre superficies sumergidas, planas o curvas.

Contenido

:

2.1 PRESION

2.1.1 Presión absoluta y manométrica

2.1.2 presión en un punto de un fluido en reposo.- naturaleza escalar de la presión

2.1.3 El gradiente de presión

2.1.4 Variación de la presión en un fluido en reposo.- Ecuación fundamental de la

hidrostática.- la paradoja de Pascal

2.1.5 Medición de la presión.- Manometría.- manómetros

2.1.6 La presión expresada como altura de una columna de líquido

2.1.7 Medidores y transductores de presión

2.2 FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE SUPERFICIES SUMERGIDAS

2.2.1 Fuerzas sobre superficies planas

2.2.2 Carga piezométrica.-altura equivalente

2.2.2 Fuerzas sobre superficies curvas

2.3 FLOTACION Y ESTABILIDAD

2.3.1 Empuje y flotación

2.3.2 Estabilidad de cuerpos completamente sumergidos

2.3.3 Estabilidad de cuerpos flotantes.

Unidad 3 ECUACIONES FUNDAMENTALES DEL FLUJO FLUIDO

Objetivos: Al finalizar esta unidad temática, el estudiante deberá estar capacitado para:

Explicar el concepto de sistema y volumen de control.

Entender el papel de la derivada sustancial en la transformación entre las descripciones lagrangiana y euleriana del flujo fluido.

Entender la utilidad y aplicar el teorema de transporte de Reynolds.

Aplicar las leyes conservativas de la mecánica al estudio del movimiento de los fluidos: Continuidad, Cantidad de movimiento y Conservación de energía.

Determinar las fuerzas y momentos asociadas con el flujo fluido usando el análisis del volumen de control.

Reconocer varias formas de la energía mecánica y trabajar con eficiencias de transformación de energía.

Entender el uso y las limitaciones de la ecuación de Bernoulli y aplicarla para resolver diversos problemas de flujo de fluidos.

Aplicar las ecuaciones fundamentales de flujo al estudio teórico de sistemas hidráulicos: alabes, bombas, turbinas, etc.

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Contenido:

3.1 Métodos de descripción del movimiento.

3.2 El campo de velocidades.- Aceleración

3.3 Sistemas y Volúmenes de Control

3.4 Teorema de transporte de Reynolds

3.5 Conservación de la masa.- Ecuación de Continuidad

3.6 Ecuación de Cantidad de movimiento

3.6.1 Teorema del Momento cinético.- Ecuación de momento de la cantidad de movimiento

3.6.2 Aplicaciones a las turbomáquinas

3.7 Primer ley de la termodinámica.- Ecuación de Energía.-

3.7.1 Flujo sin fricción .- Ecuación de Bernoulli

3.8 Dispositivos de medida del Flujo

3.8.1 Toberas, Anillo piezométrico, Tubo de Pitot, Tubo de Venturi

Unidad 4 ECUACIONES DIFERENCIALES DEL FLUJO FLUIDO

Objetivos: Al finalizar esta unidad temática, es estudiante debe ser capaz de :

Describir el rol de la derivada sustancial en la transformación entre las

descripciones lagrangiana y euleriana del flujo fluido en términos diferenciales.

Aplicar las ecuaciones fundamentales de flujo fluido en forma diferencial, para

el estudio de la variación de las propiedades de flujo en la sección transversal

del flujo, utilizando expresiones vectoriales, y coordenadas rectangulares,

cilíndricas y esféricas.

Aplicar estas ecuaciones al estudio de la distribución de velocidades y

tensiones de cortadura en flujo laminar entre placas paralelas, tubos; tubos

concéntricos y otros modelos ideales de interés práctico.

Contenido:

4.1 El campo de aceleraciones de un fluido

4.2 Enfoque diferencial vs. Enfoque integral.

4.3 Forma diferencial de la ecuación de continuidad

4.4 Forma diferencial de la ecuación de cantidad de movimiento

4.5.1 Ecuación de Euler.

4.5.2 Integración de la ecuación de Euler.- Ecuación de Bernoulli

4.5.3 Flujo de fluidos Newtonianos.- Ecuaciones de Navier-Stokes

4.5 Forma diferencial de la ecuación de energía.

4.6 Flujo incompresible con propiedades constantes.

4.7 Algunos flujos viscosos incomprensibles: Flujo laminar entre placas

estacionarias y móviles; flujo laminar completamente desarrollado en un

conducto circular; flujo entre cilindros concéntricos infinitamente largos;

Unidad 5 ANALISIS DIMENSIONAL Y SIMILITUD

Objetivos: Al cabo del desarrollo de esta unidad temática, el estudiante debe ser capaz de:

Desarrollar una mejor compresión de las dimensiones, unidades y homogeneidad

dimensional de las ecuaciones.

Comprender importancia de la caracterización del flujo mediante parámetros

adimensionales, en el estudio experimental.

Saber usar el método de variables repetitivas y el teorema de Pi para identificar

parámetros adimensionales

Aplicar las técnicas de la obtención de estos parámetros a la planeación de

experimentos de flujo fluido.

Entender el concepto de similitud dinámica y cómo aplicarla al modelado

experimental.

Contenido:

5.1 La Experimentación en Mecánica de Fluidos

5.2 Parámetros adimensionales

5.3 Teorema de Pi de Buckingham

5.4 Semejanza de Modelos

5.5 Semejanza geométrica, cinemática y dinámica

5.6 Parámetros adimensionales importantes en mecánica de fluidos:

Número de Euler, Froude, Reynolds, Mach, Weber

5.7 Estudio de Modelos

Unidad 6 FLUJO VISCOSO INCOMPRESIBLE EN CONDUCTOS

Objetivos: Al finalizar esta unidad, el estudiante debe ser capaz de:

Explicar la ecuación de Darcy para el cálculo de la pérdida de energía por fricción.

Entender mejor los flujos laminar y turbulento en tuberías

Calcular el factor de fricción para flujo laminar para sus uso en la ecuación de

Darcy.

Determinar el factor de fricción para flujo turbulento, utilizando el diagrama de

Moddy y otras ecuaciones empíricas.

Definir y usar la técnica de longitud equivalente para calcular las pérdidas de

energía en accesorios (válvulas, codos, etc.).

Calcular la magnitud de la pérdida de carga por fricción y en accesorios para flujo

laminar o turbulento en tuberías, y utilizar estas pérdidas de energía en la ecuación

energía (ecuación generalizada de Bernoulli).

Desarrollar programas de computadora para el cálculo del coeficiente de fricción.

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Contenido:

6.1 Flujo laminar y turbulento. Número de Reynolds

6.1.1 Distribución de velocidades en flujo laminar

6.1.2 Distribución de velocidades en régimen turbulento

6.2 Flujo en conductos

6.2.1 Conductos circulares

6.2.2 Conductos no circulares

6.3 Concepto de pérdida de carga.

6.4 Cálculo de la pérdida de carga en flujos simples. Ecuación de Darcy.

6.4.1 Pérdida de carga en flujo laminar. Ecuación de Hagen-Poiseuille.

6.4.2 Pérdida de carga en flujo turbulento. Diagrama de Moody

6.4.3 Pérdidas de carga en accesorios y otros dispositivos.

6.4.4 Longitud Equivalente.

6.5 Problemas de flujo en tuberías simples. 6.6 Trabajo de programación en computadora: Cálculo del coeficiente de fricción.

6.7 Experiencia de Laboratorio: Pérdidas de carga en tuberías

Unidad 7 SISTEMAS DE TUBERIAS

Objetivos:

Al cabo del desarrollo de esta unidad temática, el estudiante debe ser capaz de:

Identificar los diferentes sistemas de tuberías.

Identificar los sistemas de tubería en serie y calcular: la pérdida de carga, el

caudal, o el diámetro de la tubería, según sea el caso.

Analizar las diferencias entre los sistemas de tubería en serie y paralelo.

Calcular el caudal en cada rama de un sistema paralelo y la pérdida de carga a lo

largo del sistema cuando se conoce el caudal total y la descripción del sistema.

Determinar el caudal en cada rama del sistema paralelo y el caudal total si se

conoce la caída de presión a lo largo del sistema.

Aplicar la computadora como herramienta para el cálculo de sistemas de tuberías.

Resolver problemas de sistemas de tubería ramificados.

Contenido:

7.1 Sistemas de tuberías en serie.- Clasificación

7.2 Sistemas de tuberías en paralelo

7.3 Tuberías ramificadas

7.4 Solución de problemas con ayuda de computadora

7.5 Tarea de programación en computadora: Cálculo de tuberías en serie y paralelo.

VI. METODOLOGIA (EXPERIENCIAS DE APRENDIZAJE)

Comentario: Se exponen en esta sección los métodos y/o técnicas se van a utilizar principalmente a lo largo del proceso

docente-educativo. Así como las experiencias investigación e interacción social que el estudiante debe realizar.

Métodos:

- Clase magistral interactiva (en cada sesión se motivará la participación activa del

estudiante)

- Sesiones de discusión grupal (Presentaciones en panel de temas de investigación

bibliográfica). En el transcurso de cada unidad temática.

- Desarrollo de experiencias de laboratorio que permitan contrastar las coincidencias

y discrepancias de la formulación de los modelos teóricos con los resultados

empíricos.

- EBP. Desarrollo de un proyecto de investigación y aplicación práctica, como via

para la consolidación ce conocimientos de la asignatura.

VII. EVALUACION

Tipo de Evaluación:

1.- Evaluación continua, de la participación del estudiante en el aula.

2.- Exámenes escritos

3.- Evaluación de las habilidades en la realización de trabajos prácticos.

4.- Formulación y desarrollo de un proyecto de aplicación práctica.

Aspectos a ser evaluados:

Cognoscitivo: Conceptualización teórica y resolución de problemas

Psicomotriz: Habilidades para realizar mediciones en laboratorio

Afectivo: Trabajo en equipo, participación en el aula, puntualidad, comunicación oral y escrita.

Número de evaluaciones:

i.- 2 exámenes parciales escritos: resolución de problemas

2 exámenes (Test de opción múltiple) escritos de conceptualización teórica.

ii.- talleres quincenales de resolución de problemas.(auto-evaluación formativa)

iii.- evaluación continua de la participación del alumno en la clase

iv.- presentación por escrito y oral de un proyecto.

Ponderaciones:

Exámenes escritos Problemas 20 %

Exámenes escritos Conceptuales (Test) 20 %

Trabajos Prácticos en aula 10 % (*)

Trabajos Prácticos fuera de aula 10 % (*)

Trabajo en laboratorio 20 % (*)

Proyecto 20 % (*) El estudiante debe tener una nota mínima de 50% para habilitarse a la presentación del proyecto.

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VIII. CRONOGRAMA

meses JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

Actividades Semanas 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Inicio del semestre académico

Unidad temática 1 X

Unidad temática 2 X X X X

Test 1. Conceptualización X X

Exam. Resolución de Prob. 1 X X

Unidad temática 3 X X X X

Unidad Temática 4 X X

Test 2. Conceptualización X

Exam. Resolución de Prob. 2 X

Unidad Temática 5 X

Unidad Temática 6 X X

Unidad Temática 7 X X

Test 2. Conceptualización X

Exam. Resolución de Prob. 2 X

Trabajos Prácticos 1 2 3 4 5

Evaluación Continua en aula 1 2 3 4 5

Prácticas de laboratorio

Desarrollo del proyecto X X X X X X X X X X X X X X

Número de semanas disponibles: 18 FECHAS IMPORTANTES

Número de periodos de clases por semana: 2 Actividad Fecha

Número de periodos de clases en la gestión: 36

DISTRIBUCION APROXIMADA: Inicio de clases 31/07/2017 TP-1.-Práctica 1 28/08/2017

6 Periodos para evaluaciones EC-1.- Resolución Problemas 28/08/2017 EV-1.-Test Conceptualización Teórica 31/08/2017 EV-1.- Resolución de Problemas 04/09/207

1 Periodo para la unidad 1 TP-2.-Práctica 2 18/09/2017 6 Periodos para la unidad 2 EC-2.- Resolución Problemas 18/09/2017 9 Periodos para la unidad 3 TP-3.-Práctica 3 02/10/2017

2 Periodos para la unidad 4 EC-3.- Resolución Problemas 02/10/2017 2 Periodos para la unidad 5 EV-2.-Test Conceptualización Teórica 09/10/2017 5 Periodos para la unidad 6 EV-2.- Resolución de Problemas 12/10/207 5 Periodos para la unidad 7 TP-4.- Práctica 4 30/10/2017 EC-4.- Resolución Problemas 30/10/2017 TP-5.- Práctica 5 16/11/2017 EC-5.- Resolución Problemas 16/11/2017 EV-3.-Test Conceptualización Teórica 20/11/2017 EV-3.- Resolución de Problemas 23/11/2017 Entrega y defensa proyecto 04-11/12/2017

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IX. BIBLIOGRAFIA

1.- Shames Irving, La Mecánica de los fluidos, McGraw-Hill, 2001

Disponibilidad Biblioteca Ing. Mecánica

2.- Fox Robert, McDonald Alan, Introducción A La Mecánica de los Fluidos, McGraw Hill, 1995

Disponibilidad Biblioteca Ing. Mecánica

3.- White Frank, Mecánica de Fluidos, McGraw-Hill, 2006

Disponibilidad Biblioteca Ing. Mecánica

4.- YUNUS A. CENGEL, Mecánica de Fluidos, McGraw-Hill, 2006

Disponibilidad Biblioteca Ing. Mecánica

5.- MOTT ROBERT, Mecánica de Fluidos Aplicada, 4a. Ed, 1996, Prentice Hall.

Disponibilidad Biblioteca Ing. Mecánica

Emilio Rivera Chávez

DOCENTE