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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALFRANCISCO DE MIRANDA
AREA DE TECNOLOGIAPROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
DEPARTAMENTO DE HIDRAULICALABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS
Guía Práctica para Desarrollar Actividadesde Laboratorio en la Unidad Curricular Mecánica
de Fluidos
Profesor:Luís Alejandro Sánchez R.
Santa Ana de Coro, Agosto 2006
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INTRODUCCION
La rama de la mecánica aplicada, que estudia el comportamiento de los
fluidos, ya sea en reposo o en movimiento, constituye la Mecánica de Fluidos y la
Hidráulica.
Dicho estudio requiere de un apoyo práctico que permita comprobar,
comparar y visualizar los fenómenos hidráulicos, con el objeto de comprender la
naturaleza de los mismos y a su vez involucrarse con el manejo de los instrumentos y
equipos necesarios para el desarrollo de las actividades experimentales concernientes
a la Mecánica de Fluidos y la Hidráulica.
OBJETIVOS
Servir de material instructivo en lo referente a los trabajos del Laboratorio de
Hidráulica.
Conocer el manejo de los instrumentos y equipos disponibles en el laboratorio
para estudiar el comportamiento del agua y aplicar las expresiones
matemáticas correspondientes.Desarrollar cualidades investigativas y descriptivas en los alumnos, logrando que
incursionen en el área hidráulica, mediante la aplicación de este tipo de
experiencia práctica.
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NORMATIVA
Las prácticas son de carácter obligatorio.
Los Quiz ó Pre - Laboratorio no son recuperables.
Solo serán incluidos en el informe de laboratorio, quienes hayan asistido a la
practica y hayan desarrollado todas y cada unas de la experiencias
correspondientes.
La perdida de dos prácticas aplaza el laboratorio.
El desarrollo de las actividades prácticas, debe llevarse a cabo de manera
ordenada y de acuerdo con las instrucciones impartidas por el profesor al inicio
de las mismas.
TECNICAS DE EXPERIMENTACION
En el campo de la hidráulica es muy común establecer relaciones
experimentales, con el fin de complementar un desarrollo teórico, es así como resulta
pertinente citar algunas experiencias prácticas dentro de las cuales enmarcaremos las
nuestras:
a) Confirmar la relación obtenida de un correcto análisis matemático.
b) Evaluar los coeficientes obtenidos de un análisis teórico.
c) Observación de los fenómenos hidráulicos típicos.
ORIENTACIONES SOBRE LAS PRÁCTICAS
a) Leer detalladamente la guía de laboratorio, y realizar las consultas
bibliográficas respectivas, correspondientes a la práctica a ser desarrollada.
b) Conocer las precauciones a seguir al momento de realizar el experimento.
c) Disponer de todos los instrumentos necesarios para la medición de las variables o
datos.
d) Obtener una cantidad de datos lo suficientemente representativos que
permitan desarrollar los experimentos con la mayor exactitud posible.
e) Presentar dos ejemplos de cálculos y resultados en una forma clara y precisa.
f) Analizar e interpretar los resultados para obtener buenas conclusiones.
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BIBLIOGRAFÍA
Cualquier texto de Mecánica de Fluidos e Hidráulica.
SINOPSIS DEL CONTENIDO
1) Instrumentos y equipos de laboratorio.
2) Visualización de Flujo Laminar y Flujo Turbulento.
3) Medición de presión y caudal. Calibración, Venturímetro y Placa Orificio
4) Pérdidas por fricción en tuberías y debidas a la existencia de accesorios.
5) Funcionamiento de Bombas Centrifugas.
6) Flujo en Canales Abiertos: Flujo Uniforme, Vertederos y Resalto Hidráulico.
EVALUACIÓN
Tal como lo establece el Reglamento de Evaluación en su Capítulo V, de la
evaluación de las Unidades Curriculares Teórico-Prácticas, la nota del componente
práctico equivale al 25 % de la nota definitiva ó del lapso.
Pre-Laboratorio: Es una evaluación individual y se debe presentar antes
de iniciar cada práctica. Tiene un valor de 5 puntos.
Informe de Laboratorio: El informe correspondiente a cada práctica,
debe ser redactado con un criterio científico de manera clara y concreta,
resaltando los aspectos más importantes de la actividad realizada durante
la práctica, enfocando el análisis y las conclusiones, de acuerdo con los
objetivos planteados al inicio de la práctica. (Los equipos de trabajo no
serán mayor de 5 alumnos).
ESTRUCTURA DEL INFORME
a) Título del Informe: Especifica el tema del informe.
b) Introducción: Descripción breve y sencilla del contenido del informe de
manera que permitan la mejor compresión del mismo. (Objetivos,
justificación, breve descripción de la metodología empleada y breve
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exposición de las dificultades y limitaciones presentadas al desarrollar el
trabajo, si las hubiese).
c) Descripción del Aparato: Descripción del equipo a ser utilizado para el
desarrollo de la práctica, sus características principales, funcionamiento y
precauciones que se deben tener en cuenta.
d) Marco Teórico: Recopilación del material bibliográfico requerido para
desarrollar el trabajo. Conceptos básicos referentes al contenido de la
práctica.
e) Procedimiento a seguir: Procedimiento experimental aplicado para
desarrollar la práctica. Debe ser redactado de manera clara y lógica.
f) Variables que deben medirse, con sus respectivas unidades.
g) Cálculos y Resultados:
g.1) Valores medidos: Serán presentados en forma tabulada antes
del cálculo típico.
g.2) Cálculo Típico: Debe especificarse el procedimiento de cálculo,
ya sea éste, gráfico ó a través de un desarrollo matemático realizado con las
cantidades medidas. Si el procedimiento es repetitivo, basta con representar el
cálculo una sola vez.
g.3) Resultados: Después del cálculo típico serán tabulados.
h) Análisis: Etapa en la cual se hará un desglose de los resultados; se
describirán sus variaciones y se efectuarán las comparaciones entre el modelo y
los sistemas en una forma simple y directa, manteniendo los resultados reales
pese a las posibles fuentes causantes de error que se puedan presentar.
i) Conclusiones: Se presentan en forma resumida, los resultados del análisis
efectuado, derivado del planteamiento inicial en función de los objetivos
establecidos.Los aspectos a considerar son los siguientes:
i.1) Breve replanteo del tema investigado.
i.2) Breve descripción de la metodología empleada para la obtención
de los resultados.
i.3) Síntesis de las diversas partes del cuerpo del trabajo que
condujeron a la solución de las interrogantes planteadas, las soluciones
obtenidas con los experimentos y los resultados más relevantes.i.4) Planteamiento de los alcances y limitaciones del estudio realizado.
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j) Presentación del Informe: El informe se debe presentar a computadora,
en hoja tamaño carta. Los gráficos deben ser nítidos; los puntos experimentales
deben ser expresamente distinguidos y diferenciados; las escalas deben indicar
las cantidades representadas con sus dimensiones.
EQUIPOS DISPONIBLES EN EL LABORATORIO
a) Kit para el estudio del Teorema de Bernoulli y sus implicaciones.
b) Aparato de Osborne – Reynolds, para la visualización de la diferencia
entre flujo laminar y turbulento, Modelo H651.
c) Grupo para el estudio de las pérdidas de carga en tuberías, curvas y codos,
válvulas y sobre los instrumentos para las medidas de flujo, Modelo
H38D/E.
d) Grupo para la prueba de Bombas Centrifugas en serie ó paralelo, Modelo
H23.8DSU.
e) Canal Abierto de inclinación variable con paredes transparentes.
Elaborado por:
Prof. Luís Alejandro Sánchez R.
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDAAREA DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVILDEPARTAMENTO DE HIDRAULICA
LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS
Instrumentos y Equipos de laboratorio(Introducción y propiedades. (Teoría de errores)
Profesor:
Luís Alejandro Sánchez R.
Agosto, 2006
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Experimento:
Instrumentos y Equipos de Laboratorio.
Objetivos:
Establecer los conceptos fundamentales acerca de la actividad del
laboratorio.
Identificar los equipos de ensayo y medidores de flujo disponibles en el
laboratorio.
Operar los equipos de ensayo y sus correspondientes medidores, de
acuerdo a los procedimientos adecuados.
Identificar los aspectos básicos para el análisis de datos experimentales. (
Teoría de errores)
Equipos de Laboratorio:
a) Kit para el estudio del Teorema de Bernoulli.
b) Aparato de Osborne-Reynolds, Modelo H65D.
c)
Grupo para el estudio de flujo en tuberías, Modelo H38D/E. ( Banco detuberías)
Figura 1.1 Aparato de Reynolds. (PRACTICA #3)
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d) Grupo para la prueba de bombas, Modelo H23.8DSU.
e) Canal Abierto de inclinación variable.
Figura 1.2 Banco de tuberías (PRACTICA #2 , #4)
Figura 1.3. Grupo de Bombas (PRÁCTICA #5)
Figura 1.4. Canal de pendiente variable
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Investigar:
a) Definición de fluido.
b) Dimensiones y unidades fundamentales.
c) Diagrama Reológico, fluidos Newtonianos y fluidos no Newtonianos.
d) Propiedades de los fluidos: Viscosidad absoluta, viscosidad cinemática,
presión de vapor, modulo de elasticidad volumétrico, tensión superficial.
e) Isotropía de la presión.
f) Principio de Pascal. Ejemplos de aplicación.
g) Unidades y escalas para la medición de la Presión
h) Teoría de errores Concepto. ¿Que son errores experimentales?
i) ¿Cómo se clasifican los errores experimentales? Defina cada uno
j) ¿Cuales son las curvas de aproximación más usadas en la experimentaciónhidráulica, para relacionar las variables?
k) ¿Cuáles son los métodos para el ajuste de los datos experimentales?
l) ¿En qué consiste el proceso de “Regresión” a la hora de la interpretación de
los resultados experimentales?
Nociones Básicas
TEORÍA DE ERRORES
Cuando se somete un fenómeno físico a un proceso de observación, se
obtiene de él información que siempre debe ser procesada, atendiendo
las consideraciones de la Teoría de Errores. Esta consiste en aproximar
los modelos obtenidos experimentalmente a los modelos reales,
disminuyendo el grado de incertidumbre en el observador cuando los
datos obtenidos están, de alguna manera, dispersos.
a.) Errores experimentales
En un trabajo experimental, las observaciones efectuadas no son
absolutamente exactas debido a la incidencia de diferentes tipos de
errores que se presentan. Los errores pueden clasificarse en dos: los
errores sistemáticos y los errores fortuitos o casuales.
a.1) Errores sistemáticos
Tienen el mismo signo siempre y pueden deberse a las siguientes causas:
instrumentales, personales y externas.
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a.1.1) Errores sistemáticos instrumentales: se deben a
defectos o imprecisión del aparato utilizado. Para evitar este tipo de
error, los instrumentos se deben patronar cuidadosamente.
a.1.2) Errores sistemáticos personales: tienen como base la
apreciación del observador. Se evitan estos errores realizándose
cuidadosamente las lecturas, en forma repetida y por varios
observadores.
a.1.3) Errores sistemáticos externos o errores naturales:
se deben a causas externas tales como vientos, temperatura, humedad,
vibraciones, etc. El observador no tiene control sobre ellos por lo cual no
pueden eliminarse pero se deben aplicar las correcciones necesarias.
a.2) Errores fortuitos o casuales
Son resultados de las probabilidades y su efecto se reduce haciendo un
gran número de observaciones.
b.) Relaciones entre variables
En las experimentaciones hidráulicas se tienen variables cuyos valores
son dependientes entre sí y que están relacionadas mediante una
ecuación matemática tal que Y = ¦ (X ). Así por ejemplo, el caudal Q
que pasa por un vertedero depende de la carga hidráulica H queactúa sobre su cresta.
Los diferentes pares ordenados (Xi y Yi ), encontrados experimentalmente,
conformarán un “diagrama de dispersión”, el cual responde a un patrón de forma
que puede ser correlacionado mediante modelos lineales, exponenciales, logarítmicos,
o potenciales. Al elegir la correlación conveniente, una de las variables quedara en
función de la(s) otra(s), mediante una ecuación cuyas constantes deben determinarse.
La curva que mejor represente los pares ordenados se llama curva de aproximación.
Las curvas de aproximación más usuales son:
Polinómica: Línea recta, Cuadrática (parábola), Cúbica, Grado n.
Logarítmica: Y = a ln X + b
Exponencial: Y = ab x
Potencial: Y = aX b
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Figura 1.5 Curvas típicas de aproximación o patronamiento.
Para decidir cual ecuación desarrollar en curvas no polinómica, es útil obtener
diagramas de dispersión de variables transformadas. Por ejemplo, si un diagrama
de dispersión en escalas “X vs log Y ” muestra una relación lineal entonces habrá que
desarrollar una ecuación exponencial, mientras que si graficando los pares “log X vs
log Y ” obtenemos una recta, entonces habrá que desarrollar una ecuación
potencial.
c) Ajuste de Datos Experimentales
En cada una de las prácticas de laboratorio de hidráulica se obtendrán
conjuntos de variables que presentan algún tipo de relación. Con el
diagrama de dispersión y la mejor curva de ajuste definidos se procedea hallar la ecuación de esta última mediante un desarrollo
matemático.
c.1) Método Gráfico
Consiste en construir un gráfico cartesiano, donde se presente la
dispersión entre las variables y dibujar la línea de mejor ajuste. En caso
de ser lineal, los parámetros a y b se leen directamente del gráfico.
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c.2) Promedio Aritmético
Para determinar el valor que tiene la mayor probabilidad de ser el
correcto, se utilizan métodos estadísticos, siendo el más común el de la
media aritmética o promedio aritmético, que expresa que el valor más
representativo está dado por la suma de todos los valores de las
observaciones dividida por el número de éstas. Este procedimiento
presenta como ventajas que es el más usado, de fácil cómputo y que
para el cálculo sólo son necesarios los valores totales y el número de
datos. Se representa matemáticamente así:
M = media aritmética
n = número de datos
Xi = valores de las observaciones
c.3) Método de Mínimos Cuadrados
Se han desarrollado métodos basados en teorías estadísticas para
buscar la ecuación de la curva que mejor se ajuste al conjunto de
datos, que siendo única, evita el juicio individual.
Como procedimiento para hallar la ecuación de la curva de ajuste se
puede utilizar el método de mínimos cuadrados cuyo criterio es definir
una curva cuyas desviaciones al cuadrado respecto a los datos reales
son mínimos (definido para cualquier curva: recta, parábola, etc.).
Para aplicar estos métodos es indispensable conocer de antemano la
clase de correlación entre las variables. Entre los métodos estadísticos,uno de los más conocidos es el de los mínimos cuadrados.
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En la mayoría de las prácticas se evalúan parámetros cuyas relaciones son no
lineales pero en todos los casos la forma de abordar estas curvas es haciendo uso de la
transformación de variables, por ejemplo:
Aplicando logaritmos a ambos lados de la ecuación anterior y utilizando laspropiedades de los logaritmos se tiene:
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Entonces Y = a + bX función lineal, las constantes a y b se hallan haciendo uso de las
ecuaciones anteriores y K = anitlog (a)
d) Interpretación de Resultados
Una vez obtenida la ecuación de la curva que mejor se ajusta a los
datos, proceso llamado patronamiento, se puede utilizarla para
calcular la variable dependiente haciendo solo uso de la determinación
de la variable independiente, esto es lo que la estadística llama
regresión.
Una vez se realiza el ajuste de datos es necesario conocer que tan adecuado es
dicho ajuste; esto se hace calculando el coeficiente de correlación, que sería un
indicador de que, efectivamente, los datos guardan una proporción lineal. Valores
cercanos a uno (1) indican una relación lineal adecuada, valores cercanos a cero (0)
indican que los datos no se distribuyen según un comportamiento lineal. El coeficiente
de correlación se estima con la ecuación que sigue:
Procedimiento General:
Se proporcionará una explicación de la metodología de trabajo en el
laboratorio de acuerdo a los puntos presentados al principio de este manual. En esta
primera práctica se expondrán las pautas generales acerca de la Teoría básica de
Errores con la finalidad de orientar a los estudiantes en las actividades de laboratorio
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que siguen, en lo que respecta a los conceptos fundamentales de los parámetros
estadísticos más empleados.
Luego se reconocerá el laboratorio, explicando la configuración y procedimiento
de operación de cada equipo, así como también, los cuidados que se deben tener con
cada uno de ellos. La única actividad práctica será conocer el proceso de calibración
del manómetro diferencial de mercurio para ello debe seguirse el siguiente
procedimiento paso a paso:
La calibración del manómetro diferencial consiste en nivelar horizontalmente
el menisco izquierdo y el menisco derecho de este instrumento.
Dependiendo de cómo se encuentre los meniscos inicialmente se deben abrirlas válvulas superiores que controlan la presión dentro del manómetro. Si se
quiere que el nivel de mercurio ascienda en uno de los lados, la válvula
respectiva de ese lado debe abrirse progresivamente hasta que los meniscos se
nivelen.
En el caso en que se abra completamente una de las válvulas y el menisco deje de
ascender, entonces debe inducirse presión a uno de los extremos del manómetro. Esto
se logra, encajando el extremo al que se requiera bajar el nivel de mercurio, dentro
de las tomas de presión que se encuentra distribuidas por diversos puntos del banco
de tuberías.
Figura 1.6. Manipulación de las válvulas.
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Informe a Presentar:
Este informe se incluirá dentro del informe de la práctica #2, y los aspectos que
debe contener serán especificados por el Profesor de Laboratorio al finalizar la
práctica.
Elaborado por:
Prof. Luis Alejandro Sánchez R.
Extremos del manómetro
diferencial de Mercurio
Figura 1.7 Extremos del manómetro y tomas de presión
Tomas de Pasión del
Banco de tuberías.