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.
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