MANEJO DE AGUA MARIA NATALIA ISABEL GONZÁLEZ MOGOLLÓN INGENIERA AGRÍCOLA DOCENTE CÁTEDRA INTRODUCCIÓN MECÁNICA DE FLUIDOS La mecánica de los fluidos trata de los líquidos y gases en movimiento o en reposo. • Estática de fluidos • Dinámica de fluidos HIDRÁULICA La hidráulica es la parte de la física que estudia la mecánica de los fluidos (líquidos) en movimiento. • Hidrostática • Hidrodinámica lí q ui d a sólida sustancia gaseoso líquida fluido • Que es de consistencia blanda, como el agua o el aceite, y fluye, corre o se adapta con facilidad. • Que marcha o se desarrolla de forma ordenada, bien estructurada, sin obstáculos o interrupciones. • Sustancia que cambia su forma continuamente siempre que esté sometida a un esfuerzo cortante. • Es aquella sustancia que no opone resistencia a un esfuerzo cortante. Esfuerzo cortante: es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma. Este esfuerzo impide que el objeto se deforme. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. características o Tienden a adoptar la forma del contenedor que los almacena. o La superficie, en contacto con la atmósfera, mantiene un nivel uniforme. o Los gases se comprimen con facilidad (Fluidos compresibles) o Los líquidos se comprimen poco (fluidos incompresibles) o analizar el comportamiento de los fluidos cuando fluyen a través de tuberías circulares. Clasificación de los flujos de fluidos o o o o o o o Regiones viscosa y no viscosa Flujo interno y externo Compresible e incompresible Laminar y turbulento Natural y forzado Estacionario y no estacionario Unidimensional, bidimensional y tridimensional Se considerará la energía del fluido según: Sistema métrico m V Propiedades físicas de los fluidos ( mecánica de fluidos) o Densidad La densidad se define como masa por unidad de volumen. El recíproco de la densidad es el volumen específico. Depende de la temperatura y la presión. En el caso de líquidos la densidad depende de la temperatura y casi no de la presión. g o Peso específico El peso de una unidad de volumen de una sustancia se llama peso específico, GE H O 2 o Gravedad específica Si la densidad se da en relación con la densidad de una sustancia conocida ampliamente, se llama gravedad específica o densidad relativa. Es la razón de la densidad de una sustancia a la densidad de alguna sustancia estándar, a una temperatura específica (por lo general, agua a 4°C) v y o viscosidad Es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, es debida a las fuerzas de cohesión moleculares. La viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento y hace que el fluido se adhiera a una superficie. depende directamente de la temperatura viscosidad absoluta o viscosidad dinámica (μ): la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. viscosidad cinemática (√): Para calcular la viscosidad cinemática basta con dividir la viscosidad dinámica por la densidad del fluido. N m N s 2 2 Pa s ms m m 1 kg m 3 m 2 m s kg s Sistema de unidades Unidades Sistema de unidades Sistema Internacional N s/m2, Pas, kg/(ms) Sistema ingles lbs/ft2, slug/(fts) Sistema m2/s Internaciona l Sistema ingles Unidades Ft2/s Medición de la viscosidad Los dispositivos para caracterizar el comportamiento del flujo de líquidos de llaman viscosímetros o reómetros. oViscosímetro de tambor rotatorio; oViscosímetro de tubo capilar; oViscosímetro de vidrio capilar estándar; oViscosímetro de bola que cae. oViscosímetro de Saybolt universal o Compresibilidad dP dP v dv T d T Los fluidos suelen expandirse cuando se calientan o despresurizan, y se contraen en caso contrario. Un fluido se contrae cuando se aplica mayor presión sobre el y se expande en caso de una despresurización. Actúan como sólidos elásticos respecto a los cambios en la presión. Un análogo del módulo de Young para sólidos es el coeficiente de compresibilidad, . La compresibilidad es una propiedad de la materia a la cual se debe que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada. o tensión superficial F s 2b la superficie actúa como una delgada membrana elástica sometida a tensión. La fuerza de tracción que causa esta tensión actúa paralela a la superficie y se debe a las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido. La magnitud de esta fuerza por unidad de longitud se llama tensión superficial. Este fenómeno tiene su origen en las fuerzas intermoleculares o de Van der Waals. Una molécula inmersa en un líquido experimenta interacciones con otras moléculas por igual en todas las direcciones. Sin embargo, las moléculas situadas en la superficie acuosa sólo se ven afectadas por las vecinas que tienen por debajo. Así, se origina una especie de película mantenida por las fuerzas intermoleculares del fluido, que alcanzan valores elevados, aunque para distancias cortas. 2 s h cos gR o Capilaridad Capacidad de ascender o descender de un liquido en un tubo de diámetro pequeño insertado en un liquido, llamado capilar. La superficie libre curva en la superficie de un líquido en un tubo capilar se llama menisco. El agua en un recipiente de vidrio presenta una curvatura ligeramente hacia arriba y en el mercurio ocurre lo contrario. La intensidad del efecto de la capilaridad se cuantifica por el ángulo de contacto, se dice que un liquido moja cuando el ángulo <90 y no moja cuando > 90° o Adhesión Fuerza entre moléculas diferentes aguavidrio o Cohesión fuerza entre moléculas semejantes aguaagua o Calor especifico: Se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura , en un grado Celsius a un gramo de agua en condiciones estándar . se define exactamente como la capacidad calorífica para 1 kilogramo de sustancia y para un aumento de temperatura de 1 grado kelvin. Propiedades químicas del agua o o o o o o o o o o o o Es incolora No tiene sabor ni olor Se encuentra en la naturaleza en los tres estados Posee una temperatura de transformación fija Es un disolvente Posee una carga eléctrica neutra Difícil de comprimir Se adhiere Baja conductividad eléctrica Ph relativamente neutro Participa en múltiples reacciones químicas Regula la temperatura ejercicios o un depósito de aceite si tiene una masa de 825 kg. Si el depósito tiene un volumen de 0.917 m3, calcule la densidad, peso específico y gravedad específica del aceite. o Se llena un tanque con aceite cuya densidad es de 850 kg/m3, si el volumen del tanque es de 2 m3, determine la cantidad de masa m en el tanque. o La glicerina a 20 °C tiene una gravedad específica de 1.263. calcule su densidad y su peso específico. Bibliografía o Mott, R. L. (2006) Mecánica de fluidos. México: Pearson. o Çengel, Y. A. y Cimbala, J. M. (2012) Mecánica de Fluidos: Fundamentos y aplicaciones. México: McGraw Hill. o Notas de clase mecánica de fluidos ;Universidad Nacional de Colombia. Sede Palmira ,2015 Masa (m) Propiedad de un cuerpo de fluido que se mide por su inercia o resistencia a un cambio de movimiento. Es también una medida de la cantidad de fluido. Peso (w) Es la cantidad que pesa un cuerpo, es decir. la fuerza con la que el cuerpo es atraído hacia la Tierra por la acción de la gravedad.(N) Fuerza (F) Es la medida de la inercia o resistencia a cambiar el movimiento de éste. También es la medida de la cantidad de fluido. ( N ) Masa (m) Propiedad de un cuerpo de fluido que se mide por su inercia o resistencia a un cambio de movimiento. Es también una medida de la cantidad de fluido. Peso (w) Es la cantidad que pesa un cuerpo, es decir. la fuerza con la que el cuerpo es atraído hacia la Tierra por la acción de la gravedad.(N) Fuerza (F) Es la medida de la inercia o resistencia a cambiar el movimiento de éste. También es la medida de la cantidad de fluido. ( N ) Estática de fluidos Es el estudio de los fluidos en los que no hay movimiento relativo entre sus partículas por lo tanto no hay esfuerzos cortantes. El único esfuerzo que existe es la presión. Estática de fluidos Es el estudio de los fluidos en los que no hay movimiento relativo entre sus partículas por lo tanto no hay esfuerzos cortantes. El único esfuerzo que existe es la presión. PRESION Fuerza normal ejercida por un fluido por unidad de área Ejercida solo por un fluido Presión ejercida por sólidos se denomina esfuerzo normal Unidad SI Unidad s. Inglés Para fluidos incompresibles la densidad es constante La presión es directamente proporcional a la fuerza inversamente proporcional a la superficie (área). Presión atmosférica Es la presión ejercida por el aire sobre toda superficie con la cual esté en contacto. Varía con las condiciones climatológicas y con la altitud. Se mide con el barómetro. Presión manométrica: Presión medida tomando como referencia la presión atmosférica Presión absoluta: Presión medida por encima de cero absoluto o vacío perfecto Presión de vacío: Presión medida por debajo de la presión atmosférica. Un vacío perfecto es la presión mas baja posible, por consiguiente una presión absoluta será siempre positiva. Una presión atmosférica que este por encima de la presión atmosférica es positiva. Un vacío perfecto es la presión mas baja posible, por consiguiente una presión absoluta será siempre positiva. Una presión atmosférica que este por encima de la presión atmosférica es positiva. MEDICION DE LA PRESIÓN Manómetro: Un manómetro de presión es un indicador analógico utilizado para medir la presión de un gas o líquido, como agua, aceite o aire. En muchas aplicaciones modernas el manómetro analógicos está siendo sustituidos por manómetros digitales con una pantalla digital y características adicionales, tales como incorporación de alarmas y analógica, digital o retransmisión inalámbrica del valor indicado. Barómetro Existen barómetros de diversos tipos. El más conocido es el barómetro de mercurio que fue inventado por Torricelli Piezómetro Tubo vertical abierto en la parte superior, conectado al recipiente en que se desea medir la presión. La presión a medir debe ser relativamente pequeña, para tener alturas razonables. La presión a medir debe ser mayor que la atmosférica. El fluido en el recipiente debe ser líquido. Manómetro en u: Un extremo del tubo esta conectado a la presión que se va a medir, el otro se deja abierto a la atmosfera parcialmente lleno de un liquido de conocido (agua, mercurio, aceites coloreados) inmiscible con el fluido a medir. Transductores Instrumento que mide una presión y genera una señal eléctrica que tiene relación con la cantidad medida. El nivel de la señal se puede registrar, representar o almacenar en un medio electrónico. ejem: Calcule la masa de un aceite que pesa 610 N Calcule el peso de 1 m3 de keroseno si su masa es de 825 kg una roca con una masa de 5.60 kg está suspendida por un cable. ¿qué fuerza se ejerce sobre el cable? Una carga de 200 kg se encuentra sobre un pistón que confina aceite en un recipiente cilíndrico que posee un cilindro que tiene un diámetro interno de 2.50.” Calcule la presión en el aceite al nivel del pistón ¿Cuál es la presión ejercida por una fuerza de 120 N que actúa sobre una superficie de 0.040 m2? La presión máxima que ha de ejercer un cilindro con fluido de potencia es de 3000 psi, calcule el diámetro que tiene el embolo si el cilindro debe aplicar una fuerza de 8000 lbf La presión atmosférica estándar es de 101,325 kPa, calcule la altura de la columna de mercurio equivalente a esa presión. Un tanque abierto tiene etilenglicol a 25º c . Calcule la presión a 3 m. Un medidor de vacío conectado a una cámara de vacío da como lectura 3,02 Pa en un lugar donde la presión atmosférica es de 14,5 Pa. Determine la presión absoluta de la cámara. PRINCIPIO DE PASCAL En un fluido confinado entre fronteras solidas, la presión actúa perpendicularmente a la frontera. La presión aplicada a un punto de un fluido estático e incompresible encerrado actúa uniformemente en todas direcciones sobre un punto de un fluido en reposo El principio de Pascal puede ser interpretado como una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática y del carácter altamente incompresible de los líquidos. VARIACIÓN DE LA PRESIÓN La paradoja de pascal La presión en el fondo del recipiente es la misma. Es función del tipo de fluido peso específico y de la altura h desde la superficie libre del líquido Para fluidos incompresibles, = cte. Calcule la presión a una profundidad de 10 m en un líquido con gravedad específica de: a) 0.8, b) 1.59 Un recipiente con varios líquidos se conecta a un tubo en U. determine la presión manométrica en A para las densidades relativas y las alturas de columna de líquidos especificadas. Además determine la altura de la columna de hg que crearía la misma presión en A Se presuriza el agua que está en un tanque mediante aire y se mide la presión con un manómetro de fluidos múltiples, el tanque esta a una altitud de 1400 m donde la presión atmosférica es 85,6 KPa. Determine la presión manométrica del aire en el tanque si: h1= 0,1m; h2=0,2 m; h3= 0,35m ρH2O= 1000 kg/m3 ; ρac= 850 kg/m3 ; ρHg= 13600 kg/m3 PRINCIPIO DE ARQUIMEDES Llamado también fuerza de presión y empuje. Todo cuerpo sumergido en un fluido sufre una fuerza vertical y hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja la parte sumergida del cuerpo La fuerza de empuje es una fuerza que aparece cuando se sumerge un cuerpo en un fluido. Se produce debido a que la presión de cualquier fluido en un punto determinado depende principalmente de la profundidad en que éste se encuentre (en otras palabras, a la cantidad de fluido que tenga encima). E= E= mH2O desalojada * g E= peso real – peso aparente Vs = ρc* Vc ρf Vs *ρf * g E= E= mH2O desalojada * g E= peso real – peso aparente Vs = ρc* Vc ρf Vs *ρf * g Un cubo de aluminio de 3 cm de arista y densidad 2700 kg/m3 se sumerge en agua de mar. a) ¿Qué masa tiene el cubo? b) ¿Qué volumen desaloja? c) ¿Qué masa de agua desaloja? d) ¿Cuánto pesa el agua desalojada? Un cuerpo de masa 90 g y volumen 120 cm3 flota en el agua. Calcular: a) Peso del cuerpo. b) Volumen sumergido. c)% del volumen sumergido d) peso aparente. Un cubo de cobre, de base igual a 13 in² y una altura de 42 in, se sumerge hasta la mitad, por medio de un alambre, en un recipiente que contiene alcohol. calcular a)¿Qué volumen de alcohol desaloja?, b)¿Qué magnitud de empuje recibe? c)¿Cuál es la magnitud del peso aparente del cubo debido al empuje, si la magnitud de su peso es de 36,07 N? PRENSA HIDRÁULICA La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. El "gato hidráulico" empleado para elevar carros en los talleres es una prensa hidráulica. Es un depósito con dos émbolos de distintas secciones A1 y A2 conectados a él. La presión ejercida por el émbolo al presionar en la superficie del líquido se transmite íntegramente a todo el líquido. La presión es la misma en los puntos próximos a los dos émbolos. P1 = P2 La fuerza F1 aplicada en el émbolo pequeño se amplifica en un factor amplificador k tal que: F2 en el émbolo grande es k * F1. Se tiene un carro de 1200 kg encima de un disco con un radio de 2m y por otro lado tenemos otro disco de 0.5 m de radio y luego el depósito lleno de agua. Calcular: a) La fuerza que tenemos que ejercer en el disco pequeño para poder elevar el carro de 1200 kg. b) factor amplificador. Quiero levantar mi Ford Zoe Hatchback cuya masa es de 1500 kg con un gato hidráulico a) ¿Qué fuerza deberé aplicar en el embolo más grande, cuyo radio es de 400 cm para levantarlo? Radio del embolo pequeño 40 cm. b) factor amplificador Formando líderes para la construcción de un nuevo país en paz Formando líderes para la construcción de un nuevo país en paz