INTRODUCCIÓN-FLUIDOS

7/17/2019 INTRODUCCIÓN-FLUIDOS

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I. INTRODUCCIÓN

Para determinar las fuerzas aerodinámicas y estudiar el ujo alrededor de

cualuier estructura com!leja de in"enier#a$ !ara el dise%o de &om&as$ '(licesy tur&inas de todo ti!io$ se reuieren claramente de conocimientos de la)ecánica de *luidos. +s# como situaciones tan sencillas en nuestra ,idacotidiana$ incluso el sistema de circulaci-n san"u#neo del cuer!o 'umano.

Todas estas situaciones nos 'acen necesitar de un conocimiento elemental dela )ecánica de *luidos como rama im!ortante y fundamental dentro de la*#sica. a ue inter,ienen !ro!iedades f#sicas cuyos t(rminos muc'as ,ecesinuyen en nuestras decisiones diarias$ en nuestro &ienestar como !ersonas yen nuestra comodidad como son la tem!eratura$ el !eso es!ec#/co y ladensidad de una sustancia ue en muc'as ocasiones es el a"ua$ ya ue es ell#uido fundamental en la e0istencia del 'om&re.

1l estudio de la )ecánica de *luidos !uede ayudarnos tanto !ara com!renderla com!lejidad del medio natural$ como !ara mejorar el mundo ue 'a sidocreado o dise%ado !or el 'om&re. 2i &ien la )ecánica de *luidos está siem!re!resente en nuestra ,ida cotidiana$ lo ue nos falta conocer es c-mo see0!resa esta informaci-n en t(rminos cuantitati,os$ o la manera en ue sedise%an sistemas con &ase en este conocimiento$ mismos ue se utilizaran!ara otros /nes.

Para esto de&emos conocer los !rinci!ios y !ro!iedades &ásicas de la )ecánicade *luidos$ !ero no solo de una forma te-rica$ sino$ entender como estas!ro!iedades y !rinci!ios act3an dentro de la naturaleza.



II. O451TI6O2II.7O451TI6O 81N1R+9

1l o&jeti,o de este tra&ajo es aduirir conocimientos fundamentales

ue nos !ermitirán conocer y entender de una mejor manera la)ecánica de *luidos como !arte fundamental dentro de la *#sica.

II.:O451TI6O2 12P1C;*ICO2• 8ra/car el dia"rama de Densidad ,s Tem!eratura$ as# mismo

analizar la relaci-n entre am&os.• Com!ro&ar si coinciden los resultados de Densidad con res!ecto a

la Tem!eratura de am&as funciones en la relaci-n <Tem!eratura yDensidad=

• 8ra/car y analizar el dia"rama de Peso 1s!ec#/co y Densidad ,s Tem!eratura y la relaci-n ue e0iste entre ellos.

• 8ra/car y analizar el dia"rama 6iscosidad del aire y 6iscosidad dela"ua ,s Tem!eratura. +simismo inter!retar la relaci-n ue !uedantener am&as ma"nitudes.



III. )+RCO T1ÓRICO

>.7 9+ )1C?NIC+ D1 *9U@DO2

ABu( 12 UN *9UIDO

Irving H. Shames. (1995) <Un uido se de/ne como una sustancia uecam&ia su forma continuamente siem!re ue est( sometida a un esfuerzocortante$ sin im!ortar ue tan !eue%o sea. 1n contraste un s-lido$e0!erimenta un des!lazamiento de/nido cuando se somete a un esfuerzocortante.=

Ranald V. Giles. (1994) “9os uidos son sustancias ca!aces de <uir= y seada!tan a la forma de los reci!ientes ue lo contienen. Cuando están eneuili&rio$ los uidos no !ueden so!ortar fuerzas tan"enciales o cortantes.Pueden di,idirse en l#uidos y "ases son aE los l#uidos son !rácticamenteincom!resi&les y los "ases son com!resi&les$ !or lo ue en muc'as ocasiones'ay ue tratarlos como tales y &E los l#uidos ocu!an un ,olumen de/nido ytienen su!er/cies li&res mientras ue una masa dada de "as se e0!ansiona'asta ocu!ar todas las !artes del reci!iente ue lo conten"a.=

Robert L. ott. (!""#) <9os uidos !ueden ser l#uidos o "ases.=

<2i un l#uido se almacena en un contenedor$ tiende a ado!tar la forma deeste$ y cu&re el fondo y las !aredes laterales. 9a su!er/cie$ en contacto con laatm-sfera$ mantiene un ni,el uniforme. Cuando el contenedor se inclina$ ell#uido tiende a derramar.

2i se mantiene un "as a !resi-n en un reci!iente cerrado$ tiende a e0!andirse yllenarlo !or com!leto. 2i el contenedor se a&riera$ el "as tender#a a e0!andirse

a3n más y esca!ar de (l.=

ABU1 12 9+ )1C?NIC+ D1 *9UIDO2

Robert L. ott. (!""#) <Dice ue la mecánica de uidos se re/ere al estudiodel com!ortamiento de los uidos$ ya sea en re!oso o en mo,imiento. 9osuidos !ueden ser l#uidos como a"ua$ aceite$ "asolina o "licerinaE o "asescomo aire$ o0#"eno$ nitr-"eno o 'elioE.=

$engel. (!""#) <2e de/ne como la ciencia ue estudia el com!ortamiento delos uidos ya sea en re!oso o mo,imiento y la interacci-n de estos con s-lidoso con otros uidos en la frontera. 9a )ecanica de *luidos$ tam&i(n se menciona

como dinámica de fuidosal considerar a los uidos en re!oso un caso es!ecialcon ,elocidad cero.=

$engel. (!""#) <9a )ecánica de *luidos es am!liamente utilizada enacti,idades cotidianas y en el dise%o de sistemas modernos de in"enier#a$desde as!iradoras 'asta a,iones su!ers-nicos. Por lo tanto$ resulta im!ortantedesarrollar una com!resi-n adecuada de sus !rinci!ios &ásicos.=



>.: PROPI1D+D12 D1 9O2 *9UIDO2

>.:.7 D1N2ID+D FE

$engel. (!""#) <la densidad se de/ne como la masa !or unidad de ,olumen.1s decir FG mH6. en "eneral$ la densidad de una sustancia de!ende de latem!eratura y de la !resi-n. 9a densidad de la mayor#a de los "ases es!ro!orcional a la !resi-n e in,ersamente !ro!orcional a la tem!eratura. Porotro lado$ los l#uidos y s-lidos en esencia son sustancias incom!resi&les y la,ariaci-n de su densidad con la !resi-n suele ser des!recia&le.=

<+ ,eces$ la densidad de una sustancia se da en relaci-n con la densidadconocida !lenamente entonces se le llama gravedad especíca o densidadrelativa$ y se de/ne como la ra%&n de la densidad de 'na s'stania a ladensidad de alg'na s'stania estndar* a 'na tem+erat'raes+ei,ada !or lo "eneral a"ua a JKC$ !ara la cual FG7LLL M"Hm>E.=

Ranald V. Giles. (1994) <1n el sistema t(cnico de unidades$ la densidad dela"ua es 7LLLH.LQG7L7.: S7.L:E UT)Hm> o M! se":HmJ. 1n el sistema2I la densidad dela a"ua es 7LLL M"Hm> a JKC.=

<la densidad relati,a de un cuer!o es un numero adimensional ue ,iene dado

!or la relaci-n del !eso del cuer!o al !eso de un ,olumen i"ual de unasustancia ue se toma como referencia. 9os s-lidos y l#uidos se re/eren ala"ua a :LKCE$ mientras ue los "ases se re/eren al aire$ li&re de CO: e'idro"eno a LKC y 7 +tm de !resi-nE$ como condiciones normales.=

Robert ott. (!""#) <la +2T) International +merican 2ociety for Testin" and)aterialsE 'a !u&licado ,arios m(todos estándar de !rue&a !ara medir ladensidad$ la cual se o&tiene con reci!ientes ue miden ,ol3menes con!recisi-n$ llamados !icn-metros. 1n ellos se !rescri&e como llenar$ mani!ular$controlar la tem!eratura y leer en forma a!ro!iada== los estándares tam&i(ne0i"en ue se determine la masa !recisa de los uidos ue llenarán los!icn-metros$ con un redondeo de L.7 m". Por medio de una &alanza anal#tica.=

>.:.: P12O 12P1C@*ICO γ E

Ranald V. Giles. (1994) <1l !eso es!ec#/co de na sustancia es el !eso !orunidad de ,olumen de dic'a sustancia. 1n los l#uidos$ el !eso es!ec#/co !uedeconsiderarse constante !ara las ,ariaciones ordinarias de !resi-n. 1l !esoes!ec#/co del a"ua !ara las tem!eraturas más comunes es de 7LLL M!Hcm>.=



Robert ott. (!""#) <2i se denota el !eso es!ec#/co con la letra "rie"a γ $

entonces

γ =w /V

Donde 6 es el ,olumen de una sustancia ue tiene un !eso V. las unidades del!eso es!ec#/co son NHm> en el 2istema Internacional$ y l&H!ie> en el 2istema

Tradicional.

Con,iene$ con frecuencia$ indicar el !eso es!ec#/co o la densidad de un uidoen t(rminos de su relaci-n con el !eso es!ec#/co o la densidad de un uidocom3n. + este t(rmino le llamaremos 8ra,edad 1s!ec#/ca o Densidad Relati,a=

>.:.> 6I2COCID+D μ E

Ranald V. Giles. (1994) <9a ,iscosidad de un uido es auella !ro!iedad uedetermina la cantidad de resistencia o!uesta a las fuerzas cortantes. 9a,iscosidad se de&e !rimordialmente a las interacciones entre las mol(culas deun uido=

erle $. -otter /avid $. 0iggert. <9a ,iscosidad !uede ser consideradacomo la !e"ajosidad de un uido. 1s una de las !ro!iedades ue inuye en la!otencia necesaria !ara mo,er una su!er/cie aerodinámica a tra,(s de laatmosfera.

Robert ott. (!""#) <Un indicador de la ,iscosidad de un uido$ es lafacilidad con ue uye.

1jem!lo el aceite uye más des!acio ue el a"ua !orue tiene una ,iscosidadmayor. el aceite frio "otea más des!acio ue el caliente de&ido a ue la,iscosidad se incrementa conforme la tem!eratura disminuye.=

Ranald V. Giles. (1994) <1n los l#uidos$ la ,iscosidad disminuye al aumentarla tem!eratura$ !ero no se ,e afectada !or las ,ariaciones de !resi-n. 9a,iscosidad a&soluta de los "ases aumenta al aumentar la tem!eratura$ !erocasi no ,ar#a con la !resi-n.=

Irving H. Shames. (1995) <91 D1 6I2COCID+D D1 N1WTON 19CO1*ICI1NT1 D1 6I2COCID+D

Para un ujo &ien ordenado en el ue las !art#culas de uido se mue,en enl#neas rectas y !aralelas$ la ley esta&lece ue !ara ciertos uidos conocidoscomo uidos neVtonianos$ el esfuerzo cortante so&re una interfaz tan"ente a ladirecci-n de ujo es !ro!orcional a la tasa de cam&io de la ,elocidad conres!ecto a la distancia.=

>.> T1)P1R+TUR+



.. oran. (!"1") <el conce!to de tem!eratura se ori"ina con la !erce!ci-nde nuestros sentidos. Dic'o conce!to se &asa en la noci-n de <calidez= o<frialdad= de un cuer!o. Utilizamos nuestro sentido del tacto !ara distin"uir loscuer!os calientes de los fr#os y ordenarlos en un orden de calidez.=

erle $. -otter /avid $. 0iggert. <Com3nmente se utilizan dos escalas

de tem!eratura$ las escalas Celsius KCE y *a'ren'eit K*E. 9as dos escalasestán &asadas en el !unto de con"elaci-n y el !unto de e&ullici-n del a"ua auna !resi-n atmosf(rica de 7L7.> MPa. 9a escala a&soluta corres!ondiente a laescala Celsius es la escala Xel,in XE. 9a relaci-n entre escalas es

K =° C +273.15

9a escala a&soluta corres!ondiente a la escala *a'ren'eit es la escala RanMineRE. 9a relaci-n entre estas escalas es

°R=° F +459.67

I6. )+T1RI+912 )1TODO9O8I+J.7 )+T1RI+912

• Com!utadora !ortátil 9a!to!E• 9i&ros de )ecánica de *luidos• Calculadora• 2oftVare 10cel• 4loc de notas

J.: )1TODO9O8@+

R2L3$I 26R2 /2SI/3/ 7 62-2R368R3Para la relaci-n entre densidad y tem!eratura$ contamos con dosfunciones o relaciones a!ro0imadas entre am&as ma"nitudes.

− Primera f-rmula.9a funci-n de la densidad con res!ecto a la tem!eratura en KCestá dada !or

ρ H 2O=1000

−

(T −4)2

180

Nos dice ue$ si la tem!eratura es menor de QLKC$ el error esmenor a 7Y$ el mismo ue está dentro de los l#mites ace!ta&les!ara la mayor#a de !ro&lemas de in"enier#a.

2em+lo:



-ara 6; !" <$

ρ H 2O

=1000−(20−4 )2

180

ρ H 2O=1000−(16)2

180

ρ H 2O=1000−256

180

ρ H 2O=1000−1.422222

ρ H 2O=998.577778 Kg /m3

=Si la tem+erat'ra es !" <$* entones la densidad ( ρ ) del

ag'a es ig'al a 997.44 Kg /m3

=2l valor m>imo +ara la densidad del ag'a on res+eto ala e'ai&n anterior* es 'ando la tem+erat'ra es ig'al a 4<$.

− 2e"unda f-rmula.9a funci-n de la densidad X"Hm>E con res!ecto a la tem!eratura

KCE está dada !or ρ H 2O=999.9399+4.216485 x10−2

T −7.097451 x 10−3T

2+3.509571 X 10−5T

3−9.9037

1jem!lo.Para TG :L KC ρ H 2O=999.9399+4.216485 x10−2(20)−7.097451 x10

−3(20)2+3.509571 X 10−5(20)3−

ρ H 2O=999.9399+4.216485 x10−2(20)−7.097451 x10−3(400)+3.509571 X 10−5(8000

ρ H 2O=998.209136 Kg /m3

=Si la tem+erat'ra es !" <$* entones la densidad ( ρ ) del

ag'a es ig'al a 99?.!"91@# AgBm@.



=Se +'ede notar* om+arando ambas C'niones +ara ladensidad del ag'a* D'e e>iste 'na variai&n mEnima de".@#?#4! AgBm@.

R2L3$IF 26R2 /2SI/3/ 7 -2S 2S-2$I$ vs62-2R368R31n el dia"rama de la relaci-n entre densidad y !eso es!ec#/co ,s latem!eratura$ se !resentaran am&as funciones densidad y !eso

es!ec#/coE$ cada una con su res!ecti,o eje de coordenadas en y$ conres!ecto a la tem!eratura.1stán dadas !or las si"uientes formulas μ= f (T ° )

ρagua=1000−(T −4)2

180

γ agua=9800−(T −4)2

18

Donde

TG KC ρ=

Kg

m3

γ = N

m3

2em+lo:



-ara 6;15 <$

ρagua=1000−

(15−4)2

180

ρagua=1000−(11)2

180

ρagua=1000−121

180

ρagua=1000−0.672222

ρagua=999.327778

γ agua=9800−

(15−4)2

18

γ agua=9800−(11)2

18

γ agua=9800−121

18

γ agua=9800−6.722222

γ agua=9793.277778

=-ara 'na misma tem+erat'ra (6; 15 <$)* los res'ltados enambas C'niones* sern re+resentados en 'n ee deoordenadas. /onde la densidad el +eso es+eE,o tendrnada 'no s' res+etivo ee en “.=-ara la tem+erat'ra ig'al a 4 <$* los valores de densidad +esoes+eE,o alan%an s's +'ntos m>imos.

R2L3$IF 26R2 VIS$SI/3/ 7 62-2R368R31n el dia"rama de la relaci-n entre ,iscosidad y tem!eratura$ se"ra/cará la cur,a de la funci-n de la 6iscosidad del a"ua con res!ecto a

la tem!eratura$ as# como la funci-n de la 6iscosidad del aire conres!ecto a la tem!eratura. Donde la ,iscosidad está e0!resada en Poisesy la tem!eratura en KC. μ= f (T )

μaire=1.715 x 10−4(1+0.00275T −0.00000034T

2)



μagua= 0.01779

1+0.03368T +0.000221T 2

2em+lo.

-ara 6;1" μaire=1.715 x 10

−4(1+0.00275(10)−0.00000034(10)2)

μaire=1.715 x 10−4(1.027496)

μaire=0.00017621 Poises

μagua

= 0.01779

1+0.03368 (10)+0.000221(10)2

μagua=0.01779

1.3589

μagua=0.013091471 Poises

VI. CONC9U2ION121. 2e "ra/c- el dia"rama de la relaci-n D1N2ID+D ,s T1)P1R+TUR+ !ara

am&as funciones formula 7 y formula :E. Nos damos cuenta ue la densidad del a"ua alcanza un !unto má0imo

cuando la tem!eratura es J KC en la !rimera funci-n y cuando la

tem!eratura es > KC en la se"unda funci-n. Podemos decir ue la densidad del a"ua$ ,a descendiendo a mediada

ue la tem!eratura aumenta$ a !artir del !unto má0imo cuando latem!eratura es JKC y >KC res!ecti,amente.

9as soluciones de la funci-n de la densidad con res!ecto a latem!eratura$ no son las mismas !ara am&as f-rmulas. 10iste unacierta diferencia entre una y otra densidad !ara una mismatem!eratura.



!. 2e "ra/c- el dia"rama de la relaci-n D1N2ID+D P12O 12P1C@*ICO ,s T1)P1R+TUR+.

Nos damos cuenta ue en el dia"rama las cur,as de densidad y !esoes!ec#/co está montada una so&re otra. 9le"amos a la conclusi-n ueesto sucede !orue el !eso es!ec#/co está relacionado con la densidad

!or la si"uiente funci-n γ = ρ . g

De acuerdo a los resultados en el dia"rama$ e0iste una diferencia entrela euidistancia en los ejes ,erticales de casi 7L ,eces más. 1stode&ido a la acci-n de "ra,edad dentro del !eso es!ec#/co conres!ecto a la densidad.

@. 2e "ra/c- el dia"rama de la relaci-n 6I2CO2ID+D D19 +8U+ 6I2COC2ID+D D19 +IR1 ,s T1)P1R+TUR+.

De acuerdo al dia"rama ue se 'a "ra/cado$ las ,ariaciones en lascur,as de ,iscosidad del aire y del a"ua son totalmente o!uestas.

9le"amos a la conclusi-n ue la ,iscosidad del aire es directamente!ro!orcional a la tem!eratura$ mientras ue la ,iscosidad del a"ua esin,ersamente !ro!orcional a la tem!eratura.

6II. 4I49IO8R+*@+

1. FUNDAMENT! DE TE"MD#NAM#$A% ED#T"#A& "E'E"T( )"#ME" TM*M.+. M"AN ,.N. !,A)#" -1

-. ME$/N#$A DE F&U#D!% $#EN$#A! #N0EN#E"A! TE"$E"A ED#$#N*ME"&E$. )TTE"*DA'#D $. 2#00E"T

3. ME$/N#$A DE F&U#D!% ED#T"#A& M$ 0"A2 ,#&& TE"$E"A ED#$#N*#"'#N0 ,% !,AME!*!ANTA FE DE 40T/ $&M4#A 1556



7. ME$/N#$A DE F&U#D!% ED#T"#A& )EA"!N EDU$A$#N !E8TA ED#$#N*"4E"T &. MTT*ME8#$ -9

6. ME$/N#$A DE F&U#D! FUNDAMENT! : AM)&#$A$#NE!% ED#T"#A& M$

0"A2 ,#&& )"#ME"A ED#$#N*:UNE! A. $EN0E&*+,N M. $#M4A&A.*ME8#$ -9

9. ME$/N#$A DE &! F&U#D! E ,#D"/U&#$A% ED#T"#A& M$ 0"A2 TE"$E"AED#$#N*"ANA&D '. 0#&E!*+A$; 4. E'ETT $,EN0 &U#*E!)A<A 1557

UNI61R2ID+D N+CION+9 D1 PIUR+

*+CU9T+D D1 +8RONO)@+

12CU19+ PRO*12ION+9 D1 IN81NI1R@++8R@CO9+



668L: /I3GR33S /2 R2L3$I2S /2SI/3/ vs62-2R368R3* /2SI/3/ 7 -2S 2S-2$I$ vs62-2R368R3* 7 VIS$$I/3/ vs 62-2R368R3

Tema Pro!iedades de los *luidos

Curso )ecánica de *luidos

+lumno 4ancayán Ze"arra 1dson 5os(

Docente In". Walter Ram#rez C'ac-n

Piura$ LJ de se!tiem&re de :L7Q

INTRODUCCIÓN-FLUIDOS

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