DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL AGUA USANDO EL CANAL HIDRODINÁMICO EDIBON

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DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL AGUA USANDO EL CANALHIDRODINÁMICO EDIBON

JONATHAN ALEXANDER BOHÓRQUEZ POVEDACÓDIGO 20091079088

CRISTIAN CAMILO CUELLAR TEJADACÓDIGO 20091079016

JORGE ENRIQUE MUÑOZ BARRAGÁNCÓDIGO 20091079046

Informe primera práctica de laboratorio tuberías y bombas.

Ingeniero Fernando González Casas.Docente áreas de hidráulica.

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDASFACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA EN CONSTRUCCIONES CIVILESBOGOTÁ

2011


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INTRODUCCIÓN

Todo fluido presente en la naturaleza, al ser sometido a esfuerzos cortantes o fuerzas

tangenciales, es decir, paralela a su superficie, presenta cierta oposición, la cual se definecomo viscosidad. Para comprender mejor esta característica, se realiza esta práctica delaboratorio que consiste en la determinación de la viscosidad mediante el uso de unmétodo indirecto que incluye un fluido, en este caso el agua, que es puesta enmovimiento en el canal hidrodinámico EDIBON. Este procedimiento básicamente consisteen determinar experimentalmente el caudal y radio hidráulico de un sistema, paraposteriormente determinar por medio de ecuaciones y cálculos matemáticas la viscosidaddel agua.



CONTENIDO

Pág.

1. OBJETIVOS 4

1.1 OBJETIVOS GENERALES 4

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 4

2. MARCO TEÓRICO 4

2.1 PRINCIPIO FÍSICO DE LA VISCOSIDAD 5

2.2 HISTORIA 6

2.3 CANAL DE EDIBON 9

3. PROCEDIMIENTO 9

4. CÁLCULOS 10

5. RESULTADOS 11

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 13

7. CONCLUSIONES 14

8. ANEXOS 15

BIBLIOGRAFÍA 16



1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVOS GENERALES

Determinar experimentalmente la viscosidad del agua, mediante el procedimientoaplicado en canal hidrodinámico EDIBON.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar cuidadosamente las mediciones de las variables necesarias para elcálculo de la viscosidad, según el Número de Reynolds.

Analizar el procedimiento y los resultados obtenidos en la práctica con la teoríaexpuesta.

Desarrollar los cálculos necesarios para determinar la viscosidad del agua a partirde la información obtenida mediante la práctica.

Comparar los valores experimentales de viscosidad obtenido indirectamente, conlos teóricos señalados en las descripciones de los fluidos y expresar la certeza delcálculo en porcentaje.



2. MARCO TEÓRICO

2.1 PRINCIPIO FÍSICO DE LA VISCOSIDAD

Se denomina como viscosidad la facilidad con que un líquido se derrama, por ejemplo elaceite frío tiene una alta viscosidad y se derrama muy lentamente, mientras que el aguatiene una viscosidad relativamente baja y se derrama con bastante facilidad.

A la viscosidad se la define cono la propiedad de un fluido que ofrece resistencia almovimiento relativo de sus moléculas. La pérdida de energía debido a la fricción en unfluido se debe a la viscosidad. La viscosidad dinámica se da cuando un fluido se mueve,desarrollando en él una tensión de corte, cuya magnitud depende de la viscosidad delfluido. La tensión de corte es la fuerza requerida para desliar una capa de área unitaria deuna sustancia sobre otra capa de la misma sustancia. Así pues, es una fuerza divididaentre un área y puede medirse en unidades de newton por metro cuadrado. En un fluidose puede encontrar que la magnitud de la tensión de corte es directamente proporcional alcambio de velocidad entre diferentes posiciones del fluido.

En la figura siguiente, se ilustra el concepto de cambio de velocidad en un fluido mediantela exhibición de una capa delgada del fluido situada entre dos superficies, una de lascuales esta estacionaria, mientras que la otra se está moviendo.

En la figura, el fluido que está en contacto con la superficie inferior tiene velocidad cero yel que está en contacto con la superficie superior tiene velocidad (V), si la distancia entrelas dos superficies es pequeña, entonces la rapidez de cambio de velocidad con respectode la posición (Y) es lineal. El gradiente de velocidad es una medida de cambio de

velocidad y se define con . También se le conoce como rapidez de corte.

El hecho de que la tensión de corte del fluido es directamente proporcional al gradiente develocidad puede establecerse como:



En donde la constante de proporcionalidad se le conoce como la viscosidad dinámicadel fluido.

La viscosidad cinemática se da cuando un fluido se mueve sin tener en cuenta sus

causas, y se define como:

2.2 HISTORIA

Durante el primer siglo XX en la Universidades de Minessota e Illinois se desarrollaronproyectos de investigación que buscaban el estudio de los canales abiertos, en primerainstancia investigadores como el ingeniero Chino VEN TE CHOW desarrollaron diagramassimilares al monograma de MODY, que relacionan el coeficiente de fricción con el númerode Reynolds y la rugosidad del material pero aplicados a las estructuras abiertas cuyalámina de agua está a la presión atmosférica.

Canal Triangular Canal Trapezoidal

Zanja Poco Profunda

Cañería

Sección RectangulaAngosta

Canal Natural Irregular

2.52.0

2.02.5

1.5

1.0

2.0

1.5

1.0

0.5

1.51.0

0.5

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

2.5

2.0

1.51.0

2.0

1.5

1.0 0.5



Debido a la gran variedad de formas para las secciones transversales de los canalesabiertos, secciones circulares, triangulares, rectangulares, trapezoidales, mixtas eirregulares, el número de Reynolds se presenta en función del RADIO HIDRÁULICOdefinido como la relación entre el área ocupada por el agua en el canal y el perímetro

húmedo así:Rh = A / P

En donde,

Rh= Radio hidráulicoA= Área húmedaP= Perímetro húmedo

Nótese: P= B + 2Y en el caso de canales rectangulares.

Y

B

Sección RectangularAngosta

2.52.0

1.51.0

0.5

Por lo tanto el número de Reynolds aplicado a canales abiertos según las investigacionesdesarrolladas en las Universidades de Minessota e Illinois se define:

NR = V Rh / v

En donde,NR = Número de ReynoldsV = Velocidad media del agua en la sección del canalRh = Radio hidráulico de la sección del canalv = Viscosidad cinemática del agua



De acuerdo a VEN TE CHOW y a los experimentos realizados en canales de

laboratorio, se puede obtener curvas adimensionales como se observa en la figura 3, deacuerdo a los rangos de prueba el flujo es laminar si el número de Reynolds es menor a500 y es turbulento si el número de Reynolds es mayor a 2000. La figura 3 únicamente

debe usarse en canales de laboratorio pequeños, no se puede usar en canales grandes;limita a canales rectangulares de ancho de base menor a 2.5 pulgadas y a canalestriangulares y circulares de acuerdo a las observaciones indicadas en la figura 3

.

Figura 3.



2.3 CANAL DE EDIBON

El canal hidrodinámico EDIBON está instalado en el laboratorio de hidráulica de

Tecnología en Construcciones Civiles e Ingeniería de la Facultad Tecnológica, bloque 5primer piso.

Es una estructura de 5 metros de largo, sección trasversal rectangular en acrílicotransparente de ancho de 6.5 centímetros; la profundidad del agua se determina con unmedidor de aguja y el caudal con un caudalímetro análogo en un rango de 600 a 5000litros / hora.

3. PROCEDIMIENTO

Encender el circuito eléctrico del tanque. Abrir la válvula distribuidora y escoger un caudal ( Q ) entre 4700 y 5000 lt/ hora. Esperar hasta que se estabilice el nivel del agua en el canal y estimar la

profundidad del líquido con el medidor de aguja. Apagar el circuito eléctrico del tanque y desconectar el enchufe eléctrico.


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4. CÁLCULOS

Transformar el caudal a metros cúbicos por segundo.

Calcular al área húmeda en la sección del canal (A) en metros cuadrados.

Determinar la velocidad media en la sección: (V =Q / A), en (m / segundo).

Determinar el radio hidráulico con la ecuación, (Rh = A / P), recordar que P es el

perímetro húmedo.

Con el factor de fricción del acrílico “f = 0.022” ingresar en la figura 3 y determinar

el número de Reynolds en la zona de Blasius.

Con los datos anteriores y con la ecuación de definición del número de Reynolds (

NR = V Rh / v ) calcular la viscosidad cinemática del agua.

Comparar el valor obtenido de la viscosidad cinemática para la temperatura del

agua con los guarismos indicados en los libros de Mecánica de Fluidos.

Desarrollar conclusiones.



11

4. RESULTADOS

Caudal (Q):

Por tabla NR: aprox. 1x10 4

(Número de Reynolds)

Coeficiente de Fricción: 0.022

Según los parámetros indicados por el docente se tiene:

Donde NR, es el Número de Reynolds.

V, es la velocidad media.

Rh, es el radio hidráulico.

, es la viscosidad cinemática.

Despejando la viscosidad cinemática de la ecuación anterior:

Determinando la velocidad (V).

Con Q= v * A,

1. Determinando área del canal: Área= 0.065m * 0.0321m = 2.0865 * 10-3 m²

Así que: V A

Q por tanto

s

m

m

sm X V 6257.0

²0865.2

/ ³10305.13

s

m x

horas

Lt ³10305.147003

NR=

=



12

0.0321 m

0.065m

2. Determinando el radio hidráulico (Rh).

Con

P

A

humedo perimetro

humedaarea Rh

.

.

El área húmeda corresponde al área transversal del fluido en el canal, y el perímetro

húmedo son los lados que están sometidos a la fricción del agua.

0.0321 m

0.065m

Área Húmeda

Por tanto mmm

m x

Rh 0161.0)0321.0*2(065.0

²100865.23



13

Reemplazando los valores anteriormente determinados en:

s

m

x

x

msm ²1001.1

101

0161.0* / 6257.0 6

4

Así que la viscosidad cinemática del fluido, en este caso agua, es de aproximadamente

s

m

x

²1001.1

6 , del libro de mecánica de fluidos de Mott, se obtiene mediante una tabla los

valores de la viscosidad cinemática del agua dependiendo de su temperatura, para una

temperatura de 19.8 °C se obtuvo una viscosidad cinemática de s

m

x

²1002.1

6

.

Determinando el porcentaje de error:

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

El porcentaje de error de la viscosidad experimental obtenido, con respecto a laexperimental es del 0.98%, un valor tolerable teniendo en cuenta que se hallómediante un método experimental indirecto y con una única medición.

El caudal que se obtuvo en el sistema es bajo puesto que las dimensiones del

canal hidrodinámico no permiten flujos de agua muy grandes. Hay que tener encuenta que el sistema tenía una profundidad de superficie libre de 3. cm, lo quedetermina movimiento de volúmenes pequeños de agua.

=

100exp

x

teorico

erimentateorico

%98.01001002.1

1001.11002.1

6

66

x

x

x x



14

6. CONCLUSIONES

Los fluidos newtonianos como el agua se comportan siguiendo la relación directaentre la tensión de corte del fluido y el gradiente de velocidad. De esta manera lamagnitud de gradiente de velocidad no tiene efecto sobre la magnitud de laviscosidad, así mismo la propiedad de la viscosidad se comporta únicamente enfunción de las condiciones del fluido.

La temperatura del fluido es una de las condiciones externas que influye en elcambio de viscosidad del mismo, puesto que la mayoría de los materialesaumentan su viscosidad a mayor temperatura; la dependencia es exponencial ypuede representar variaciones grandes.

Por medio del canal hidrodinámico se puede determinar indirectamente laviscosidad de cualquier fluido líquido, no obstante este método necesita del uso degrandes cantidades de fluido y una calidad de observación muy alta, lo cual limitasu uso. Sin embargo, presenta una forma sencilla y clara de experimentar con laviscosidad del agua.

El concepto de viscosidad en los fluidos es muy importante puesto que esteparámetro define las condiciones de flujo en un sistema hidráulico y lascaracterísticas iniciales que rigen un diseño de este tipo; de este modo, espertinente analizarlo correctamente junto a todas las variables que le afectan comolo son la temperatura y la presión.



15

8. ANEXOS

Anexo 1: Fotografía Indicador altura Flujo. Anexo 2: Referencia canal Hidrodinámico.

Anexo 3: Fotografía Indicador caudal Anexo 4: Fotografía Sección transversal deldel flujo y motobomba. canal.



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BIBLIOGRAFÍA

MOOT, Robert. Mecánica de los fluidos; Mc Graw Hill, 2004-2010

VEN TE, Chow. Hidráulica de los canales abiertos; Mc Graw Hill – diana , 1950-

2010

AZEVEDO-NETTO. Manual de Hidráulica.; Harla, 1962-2009

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