Actividad 6 - Lab Mec de Fluidos - Gera Torres (6)

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
 FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS
ACTIVIDAD 6 – FUERZAS SOBRE SUPERFICIES
 DÍA: MARTES HORA: V5 
FECHA:
 SAN NICOLÁS DE LOS GARZA, N.L. A 16 DE OCTUBRE DE 2022
INTRODUCCIÓN
Obtener resultados sobre medidas, ya sea en hidrografía, en hidráulica o en los procesos industriales es de vital importancia junto con la presión, el volumen, la velocidad y caudal.
Es por ello que las aplicaciones son frecuentes para mediciones de los niveles de estanques y recipientes de todo tipo en canales, pozos o vertederos, por mencionar algunos ejemplos.
Estas medidas sirven para determinar el contenido de los tanques para llegar a accionar dispositivos de alarma y seguridad en los recipientes a presión, para el accionamiento de válvulas y vertederos en la regulación de las centrales hidroeléctricas, para la determinación de la altura de la lámina en vertederos de medidas.
En la industria química la medida de nivel se requiere para determinar la cantidad exacta de líquidos que hay que administrar en un proceso de mezcla; todo esto para finalmente conocer las medidas del nivel de fluido en los procesos de destilación.
Es por ello que los avances que han ido sucediendo a lo largo del tiempo han ido simplificando todas estas labores para hacerlas más sencillas para la sociedad con el fin de obtener resultados mucho mejores y más precisos que antes.
Los aparatos y las herramientas que se utilizan para medir ciertas características de alguna propiedad en específico han ido cambiando, ya sea implementándoles algún aditamento práctico o incluso fabricar alguno completamente nuevo, conservando quizás alguna característica que ya tenía pero con ciertas mejoras.
De acuerdo con afirmaciones dadas en el pasado, la presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área de la superficie considerada. Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la presión y cuando menos sea la superficie para una fuerza dada, menor será la presión resultante.
MARCO TEÓRICO
FLUIDO SOBRE UNA SUPERFICIE CURVA
Imaginando que hay un estanque cuyo fondo tiene forma de un cuarto de cilindro y que contiene fluido en su interior, de acuerdo a las siguientes figuras.
Suponiendo como han de ser las fuerzas de reacción de la pared sobre el fluido, se encontrará que estas han de aumentar en la medida que aumenta la profundidad, puesto que la presión es dependiente de la altura.
Considerando la figura restringida a solo las fuerzas resultantes, se puede observar que al lado izquierdo las fuerzas se componen de una resultante horizontal (F1) sobre la superficie curva y otra bajo la curva que se encuentra aplicada en una dirección diferente de la perpendicular a la pared (Fr).
Sobre el lado izquierdo, y puesto que solo hay una pared vertical, se podría resumir que existe una sola fuerza, sin embargo es conveniente representar dos fuerzas horizontales (F2 y F3), una sobre el límite de la superficie curva ( línea roja), y otra bajo el límite. Puesto que el estanque en su totalidad no se mueve, se puede decir que la suma de todas las fuerzas ha de ser igual a cero. Bajo esta última aclaración se debe pensar que, dado que F1 yF2 se encuentran actuando sobre la misma altura de líquido, han de ser iguales, y se puede calcular como se ha hecho normalmente en caso de superficies planas.
Pensando ahora lo que ocurre en la superficie curva, puesto que actúan bajo la frontera de la pared vertical, deberían ser en la dirección horizontal ser iguales, por lo tanto.
Ahora bien, cuando un observador mira de frente la superficie curva no puede notar el perfil lateral de la figura, solo la mira como una figura plana cuya área es igual al área del rectángulo por donde se aplica la fuerza 3, de esa manera, se puede pensar que la componente horizontal de la fuerza aplicada sobre la superficie curva se calcula de la misma manera que una fuerza sobre una pared vertical considerando el área plana que se puede ver directamente si se mira la figura de frente.
Respecto de la componente de la fuerza en el sentido vertical, solo queda igualarla a la fuerza peso, pues son las únicas fuerzas que se encuentran en ese sentido. De tal manera:
Fry = W
Y por lo tanto el ángulo, se puede evaluar como:
(Fry/Frx)
FLUIDO BAJO UNA SUPERFICIE CURVA
Cuando el fluido se encuentra bajo la superficie curva, como se muestra en la figura, la fuerza horizontal no se modifica como procedimiento de cálculo, no así la fuerza vertical, pues sobre la superficie no existe fluido. En estos casos, se considera que el fluido debe haber proyectado a aquel que se encuentra sobre la superficie, de tal manera que el peso de este fluido sería equivalente a la fuerza vertical.
A manera de ejemplo, y de acuerdo a la figura, si se quiere calcular la fuerza vertical sobre la porción curva de la figura debido al fluido, se debe evaluar como peso del fluido, a aquel peso referido al volumen que se genera proyectando el nivel de líquido superior sobre la superficie curva.
1) SUPERFICIES PLANAS HORIZONTALES
Considerando el estanque de una figura, que contiene un líquido de densidad ρ. D La fuerza de presión del líquido sobre el fondo. La fuerza de presión está dada por F = p A. Trabajando con presiones relativas: p = ρgh y A = ab De este modo, la fuerza de presión es F = ρghab Pero hab corresponde al volumen del líquido sobre la superficie, V, o sea tenemos F = ρgV Pero ρV es la masa del líquido sobre la superficie, m, quedando la fuerza: F = mg Resultando que la fuerza de presión sobre una superficie horizontal es igual al peso del fluido sobre ella.
Para calcular la fuerza resultante sobre una superficie curva, se debe calcular los componentes de la fuerza (horizontal y vertical).
COMPONENTE HORIZONTAL
La pared sólida vertical de la izquierda ejerce fuerzas horizontales sobre el fluido que está en contacto con ella en reacción de las fuerzas debidas a la presión del fluido. Esta parte del sistema se comporta de igual manera que las paredes verticales estudiadas anteriormente. La fuerza resultante F1 actúa a una distancia de la parte inferior de la pared.
La fuerza F2a ubicada en el lado derecho de la parte superior hasta una profundidad de h es igual a F1 en magnitud y actúa en dirección opuesta. Por lo tanto, no tiene ningún efecto sobre la superficie curva.
Al sumar las fuerzas presentes en la dirección horizontal se puede ver que la FH debe ser igual a la F2b que actúa sobre la parte inferior del lado derecho. El área en la que actúa F2b es la proyección de la superficie curva sobre un plano vertical.
La magnitud y la ubicación de F2b pueden calcularse utilizando los procedimientos desarrollados para las superficies planas.
F2b = γ (hc) A
Donde hc representa la profundidad hasta el centroide del área proyectada. Para el tipo de superficie que se muestra en la figura anterior, el área proyectada es un rectángulo. Si a la altura del rectángulo se le denomina como s, podemos ver que:
hc = h + s/2.
Además el área es sw, donde w es la anchura superficial de la curva. Entonces:
F2b = FH = γ s w (h+s/2)
La ubicación de F2b es el centro de presión del área proyectada. De nuevo, al usar principios desarrollados anteriormente se obtiene:
hp - hc = IC / (hCA)
Para el área rectangular proyectada, sin embargo:
Ic = ws3/12
A = sw
Entonces:
hp - hc = s2/(12hc)
COMPONENTE VERTICAL
La componente vertical de la fuerza ejercida por la superficie curva sobre el fluido se puede encontrar mediante la suma de las fuerzas presentes en la dirección que actúa hacia arriba. Entonces el peso y Fv deben ser iguales entre sí en magnitud. El peso del fluido es simplemente el producto de su peso es específico por el volumen del cuerpo de fluido aislado. El volumen es el producto del área de la sección transversal del volumen que se muestra en la figura anterior por la longitud de interés w. Es decir:
Sólo el peso del fluido actúa hacia abajo, y sólola componente vertical F
Fv= γ (V) = γ A w
DESARROLLO
En la práctica el equipo utilizado fue un instrumento de presión hidrostática el cual contaba con un plato de balance al que se le aplicaban distintas masas en los dos distintos casos vistos.
El instrumento contaba con un toroide con la superficie a analizar en los dos casos.
En el primero, al plato de balance se le sumó una masa de 150g y en el contenedor donde se encontraba el toroide con la superficie a analizar se le echó agua a 20°C para nivelar la viga indicadora del nivel. Se observó que la superficie era parcialmente sumergida.
En el segundo caso, se hizo lo mismo solo que la masa en el plato de balance ahora contaba con 350g, por lo cual se le tuvo que administrar más agua para que se volviera a nivelar la viga y ahora conocer los valores de H y de B con estas nuevas propiedades. Se observó que ahora la superficie estaba totalmente sumergida.
TOMA DE DATOS
	Primer caso
	Segundo caso
	B = 7.5cm
	B = 7.5cm
	H = 8.2cm
	H = 10cm
	Diferencia entre la altura del fluido y de la pieza plana (d1) = 3cm
OPERACIONES Y RESULTADOS
CONCLUSIÓN
Tener el debido conocimiento sobre el correcto uso y cómo reaccionan cada uno de los distintos tipos de instrumentos que se utilizan para hacer la medición de las diferentes presiones que se puedan llegar a querer saber, ya sea para su uso en la vida diaria como en la industria, tiene su importancia ya que podría significar la diferencia entre conocer el resultado correcto y por lo tanto obtener un dato erróneo en la realización de la tarea o trabajo en la industria.
Por lo cual aparte de que algunas empresas dan la debida capacitación a sus empleados sobre la utilización de sus diversos instrumentos o maquinaria, también tiene su debida relevancia inspeccionar y revisar todo antes y después de realizar la tarea requerida, con el fin de detectar la posible falta de algún material o aditamento del mismo instrumento y evitar errores en las mediciones o hasta posibles riesgos dependiendo del equipo utilizado.
Es esencial realizar un efectivo control del mantenimiento. Como con cada tipo de instrumentos, se deben tener reglas estandarizadas que regulen la compra, capacitación del personal, almacenaje, mantenimiento e inspección periódica.
FUENTES DE INFORMACIÓN
· http://mecanicodelosfluidosudg.blogspot.com/2016/03/fuerzas-en-una-superficie-curva.html
· https://www.cuevadelcivil.com/2011/01/area-curva-sumergida.html