Lab_01_PMF_Propiedades_de_los_fluidos

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PRINCIPIOS DE MECÁNICA DE FLUIDOS – 2017272 
Semestre 2023-S2 
Profesor Aldo Germán Benavides Morán 
E-mail: agbenavidesm@unal.edu.co 
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica 
Oficina 416 - Edificio 453 Aulas de Ingeniería 
 
 
 
Importante: Asistir a la práctica de laboratorio es obligatorio. No se calificará el reporte de un estudiante 
que haya faltado a la práctica en el horario asignado por el profesor. Recuerde traer bata u overol. 
 
Práctica de Laboratorio #1 
Propiedades físicas de los fluidos 
 
 
1. Objetivo 
 
Experimentar en el laboratorio con algunas de las propiedades físicas más importantes de los fluidos, 
tales como la densidad, la viscosidad y la tensión superficial. Para ello se utilizarán algunos instrumentos 
de medición de uso habitual en laboratorios de mecánica de fluidos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Equipo para la medición de propiedades de los fluidos ubicado en el Laboratorio de Hidráulica, 
Universidad Nacional de Colombia. En el diagrama de la derecha se observa la ubicación de algunos 
elementos a utilizar en la práctica: 1 y 2 = beakers, 3 = balanza, 5 = botella de densidad, 6 = depósito de 
cabecera, 7 = tubos capilares, 8 = placas de vidrio (capilaridad), 10 = esferas, 11= probetas. 
 
2. Materiales 
 
• Fluidos de distinto tipo: combustibles, lubricantes y líquidos derivados del petróleo disponibles 
en el laboratorio, o traídos por los estudiantes (glicerina, jabón líquido, etc.) No utilizar aceite de 
cocina en la práctica. 
• Elementos de medición para determinar la densidad, la viscosidad y el efecto de capilaridad que 
se encuentran en la unidad de trabajo ilustrada en la Figura 1. 
 
 
3. Introducción 
 
El término fluido se refiere tanto a gases como a líquidos (por ejemplo, aire y agua) y, aunque hay 
diferencias entre ellos, ambos se caracterizan porque cuando actúa sobre ellos una fuerza externa, se 
producirá un cambio permanente en su forma si la fuerza actúa durante un tiempo suficiente. En otras 
palabras, la aplicación de una fuerza producirá que un fluido se mueva continuamente, mientras que la 
misma fuerza podría distorsionar un sólido en menor proporción. Si se aplicara una fuerza de 
cizallamiento (fuerza tangencial) en la superficie de un líquido, las capas de fluido se moverán unas sobre 
otras, produciendo un gradiente de velocidad en el líquido. Para un esfuerzo de cizallamiento dado, una 
propiedad llamada viscosidad determina el gradiente de velocidad y, por lo tanto, la velocidad del fluido 
en el plano del esfuerzo aplicado. La viscosidad es una medida de la resistencia de los fluidos al 
movimiento. La viscosidad es una propiedad muy importante en la mecánica de fluidos ya que determina 
el movimiento de los fluidos en ductos y alrededor de cuerpos inmersos en el flujo. 
 
Los líquidos y los gases comparten la propiedad de fluidez descrita anteriormente, pero difieren en otros 
aspectos. Una cantidad de líquido tiene un volumen definido y, si está en contacto con un gas, tiene un 
límite definido o una superficie libre. Los gases, por otra parte, se expanden para llenar el espacio 
disponible y no se puede considerar que tengan un volumen definido a menos que estén confinados, por 
ejemplo, en un recipiente totalmente cerrado. El volumen de un líquido cambia ligeramente con la presión 
y la temperatura, pero para un gas estos cambios pueden ser muy grandes. Para la mayoría de los fines 
de ingeniería, los líquidos pueden considerarse incompresibles, lo que significa que el volumen y la 
densidad no cambian significativamente con la presión, mientras que los gases generalmente tienen que 
ser tratados como compresibles. Del mismo modo, los efectos de la variación de temperatura a menudo 
pueden ignorarse para los líquidos, excepto en ciertos casos especiales, pero siempre deben considerarse 
en el caso de los gases. 
 
Al considerar las interfaces entre líquidos, sólidos y gases hay una propiedad adicional que produce 
fuerzas y se llama la tensión superficial. Cuando una interfaz líquido-gas está en contacto con una 
superficie sólida, el borde del líquido se distorsiona hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de si el sólido 
atrae o repele el líquido. Si el líquido es atraído hacia el sólido, o lo moja, se moverá hacia arriba en el 
borde y la tensión superficial causará una pequeña fuerza ascendente en el volumen de líquido. 
Supongamos que se inserta un tubo muy delgado (llamado capilar) en un vaso con agua. La tensión 
superficial actúa alrededor de toda la periferia (su perímetro) y como resultado el líquido asciende por el 
tubo. Esto se denomina a veces efecto capilar o acción capilar. La fuerza de tensión superficial 
generalmente es pequeña, pero suficiente para mantener objetos livianos suspendidos (no flotando) en la 
superficie de un líquido. 
 
En esta práctica de laboratorio usted va a determinar la densidad de algunos líquidos. También 
experimentará el efecto de la viscosidad y de la tensión superficial. 
 
4. Desarrollo de la práctica 
 
4.1 Determinación de la densidad 
 
4.1.1 Medición con el Beaker. Para determinar la densidad de un líquido es necesario medir la masa de 
un volumen conocido de líquido. El volumen es la cantidad más difícil de determinar. Utilice el beaker 
para determinar la densidad del agua y de los otros líquidos. A continuación, se indica el procedimiento 
a seguir: 
 
a. Pese el beaker vacío en la balanza. 
b. Llene el beaker con un líquido hasta que la superficie del líquido coincida con una de las marcas de 
volumen en el beaker. Preste atención a las unidades. 
c. Pese el beaker con el líquido en la balanza. Sustraiga el peso del beaker vacío para calcular la densidad. 
 
𝜌 =
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
 (1) 
 
d. Tome varias mediciones y repita el procedimiento para otros fluidos. En su reporte usted deberá indicar 
un valor promedio y una desviación estándar. 
 
4.1.2 Medición con la botella. El problema de medir con precisión un volumen de líquido puede 
resolverse utilizando un recipiente especial con un volumen conocido, como una botella de densidad (ver 
Figura 1). Esta se fabrica con precisión y tiene un tapón de vidrio con un orificio por el que se expulsa el 
exceso de líquido. Cuando el líquido está nivelado con la parte superior del tapón, el volumen del líquido 
es de 50 ml. 
 
a. Seque y pese la botella y el tapón. 
b. Llene la botella con el líquido a medir y vuelva a colocar el tapón. 
c. Seque cuidadosamente la parte exterior del frasco con un paño o papel y elimine cualquier exceso de 
líquido del tapón. El líquido en el orificio deberá quedar nivelado con la parte superior del tapón. 
d. Vuelva a pesar la botella más el líquido y determine la masa de éste. De esta forma podrá calcular la 
densidad con la ecuación (1). 
 
4.2 Medición de la viscosidad. 
 
Como se explica en la introducción de esta guía, la viscosidad es una de las propiedades más importantes 
de los fluidos, ya que determina el comportamiento cuando hay movimiento relativo entre un fluido y 
una superficie sólida. En el caso en que un esfuerzo cortante, 𝜏 actúa sobre un fluido, se produce un 
gradiente de velocidad que es proporcional al esfuerzo cortante aplicado. La constante de 
proporcionalidad es el coeficiente de viscosidad, 𝜇, y la ecuación es la llamada ley de viscosidad de los 
fluidos newtonianos, 
 
𝜏 = 𝜇
𝑑𝑢
𝑑𝑦
 (2) 
 
donde 𝑑𝑢/𝑑𝑦 es el gradiente de velocidad. La ecuación (2) muestra que, si el fluido fluye sobre un objeto, 
habrá un gradiente de velocidad en el flujo adyacente a su superficie, y una fuerza de cizallamiento 
transmitida al fluido que tiende a resistir su movimiento. Del mismo modo, si un objeto se mueve a través 
de un fluido, se generarán gradientes de velocidad y como resultado habrá una fuerza sobre el objeto que 
tiende a resistir su movimiento. En ambos casos,se requiere conocer la viscosidad para calcular las 
fuerzas involucradas. Debe tenerse en cuenta que 𝜇 varía con la temperatura. Recuerde que en el SI 𝜇 
tiene unidades de N·s/m2 o Pa·s. Sin embargo, en esta actividad usted va a determinar la viscosidad 
cinemática definida como: 
 
𝜈 =
𝜇
𝜌
 (3) 
 
Note que la viscosidad cinemática tiene unidades de m2/s. Existen muchos métodos experimentales que 
pueden utilizarse para determinar la viscosidad y estos son generalmente menos directos que la medición 
de los parámetros en la ecuación (2). Un método común es considerar la velocidad a la que una esfera 
lisa caerá a través de un líquido para el cual se requiere determinar la viscosidad. En condiciones de 
equilibrio, las fuerzas de cizallamiento o de fricción sobre la esfera igualarán su peso, y la esfera caerá a 
una velocidad constante 𝑈𝑇, llamada velocidad terminal. Una ecuación atribuida a Stokes relaciona la 
velocidad terminal con la viscosidad cinemática, el diámetro (𝑑) y la densidad de la esfera (𝜌𝑠). A esta 
ecuación se le conoce como la Ley de Stokes. 
 
𝑈𝑇 =
𝑔𝑑2
18𝜈
(
𝜌𝑠
𝜌
− 1) (4) 
 
Es importante aclarar que la Ley de Stokes es aplicable a bajos números de Reynolds1 del flujo asociado 
al movimiento de la esfera. En esta actividad usted determinará la velocidad de caída libre de una esfera 
para estimar la viscosidad cinemática del fluido. 
 
Para la medición de la viscosidad, usted va a utilizar una probeta y el conjunto de esferas de acero que 
vienen con el equipo de la Figura 1. 
 
a. Llene la probeta con alguno de los fluidos disponibles para la práctica. 
b. Inserte la guía para el lanzamiento de las esferas (es una especie de tapón) 
c. Defina las marcas inicial y final en la probeta para el registro del tiempo de caída de la esfera. Mida la 
distancia entre las marcas. 
d. Introduzca la esfera en la probeta y registre el tiempo entre las marcas inicial y final. Se recomienda 
utilizar el celular para registrar el tiempo. 
e. Repita el procedimiento de tal manera que pueda determinar un valor promedio y una desviación 
estándar. Utilice esferas de diferentes tamaños. 
 
En su reporte, cerciórese de indicar todos los cálculos y reportar los datos en tablas. Además, compare 
los valores obtenidos de viscosidad con la información en el apéndice del texto guía (White). 
 
4.3 Efecto capilar 
 
De acuerdo a la Figura 1, el equipo está provisto de tres tubos capilares de vidrio con orificios de 0.4 
mm, 0.8 mm y 1.6 mm. También se proporcionan placas de vidrio, junto con material plástico de distinto 
color para mantener las placas a una distancia fija. 
 
1 El número de Reynolds es un parámetro adimensional muy importante en el análisis de los flujos viscosos, y cuyo 
significado físico es la relación entre fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas que existen en el flujo. Este parámetro será 
definido más adelante en el curso cuando tratemos el tema de análisis dimensional. 
Se recomienda utilizar un solo material plástico para mantener una única separación de placas. Una tira 
de 5 a 10 mm de ancho debe colocarse debajo de dos bordes de una placa y la segunda placa se sujeta a 
ella utilizando los clips. Seguidamente las placas se ubican en el depósito de cabecera (ver Figura 1) en 
la ranura proporcionada y se apoya en los clips extendidos. El montaje experimental debe ser similar a 
lo que se observa en la Figura 2. Si es necesario, ajuste la altura del agua en el depósito de cabecera por 
medio de la válvula de drenaje. El agua ascenderá por los tubos y entre las placas de vidrio. Los niveles 
se pueden medir y comparar. En esta sencilla demostración se puede observar que la capilaridad (o acción 
capilar) tiene lugar, y además, que la altura a la que se eleva el agua depende del tamaño del tubo. El 
efecto capilar solo es significativo si el espacio es pequeño (diámetro del tubo o distancia entre las placas) 
y generalmente se ignora para tubos con orificios mayores a aproximadamente 5 mm. 
 
En clase se dedujo la fórmula para la altura que asciende un líquido, como el agua, en un tubo capilar de 
vidrio (𝜃 ≈ 0°) de diámetro 𝑑, 
 
ℎ𝑡 =
4𝜎
𝜌𝑔𝑑
 (5) 
 
Y para dos placas separadas una distancia 𝑏, es posible demostrar que la altura capilar es: 
 
ℎ𝑝 =
2𝜎
𝜌𝑔𝑏
 (6) 
 
a. Registre la altura alcanzada por el agua en los tubos y en las placas. 
b. En su reporte compare las alturas medidas con los valores teóricos dados por las ecuaciones (5) y (6). 
Para ello busque el coeficiente de tensión superficial, 𝜎, a la temperatura del agua en el laboratorio. ¿A 
qué se deberán las posibles diferencias entre lo medido y lo teórico? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Montaje para el efecto de capilaridad. 
Placas de vidrio 
Nivel de agua 
Sección del 
tubo 
Tubos 
5. Preguntas a responder en su reporte 
 
5.1. Describa brevemente los tipos de error que se pueden presentar en la toma de datos en un 
experimento. ¿Cuál es la diferencia entre precisión y exactitud? Ilustre con un ejemplo. 
 
5.2. ¿Qué es la propagación del error (incertidumbre experimental) y como se define matemáticamente? 
 
5.3. ¿Qué es un hidrómetro y para que se utiliza? El equipo de la Figura 1 contaba con un hidrómetro, 
lamentablemente fue dañado (se rompió) al utilizarlo en las prácticas del semestre pasado. 
 
5.4. Investigue acerca de la Ley de Stokes. ¿Cómo se llega a la ecuación (4) al realizar un balance de 
fuerzas sobre una esfera en caída libre? 
 
5.5. Indique otros métodos experimentales (al menos 3) usados para determinar la viscosidad de un 
fluido. Describa brevemente el concepto físico detrás de dichos métodos. 
 
 
6. Reporte de resultados 
 
Su reporte debe incluir una breve descripción de los pasos realizados y los resultados obtenidos en las 
mediciones. Recuerde presentar la información en tablas. 
 
Su reporte debe estar escrito a una sola columna; asegúrese de citar correctamente las referencias 
consultadas. El documento que entregue no debe superar las 20 páginas en total. Utilice un número 
apropiado de cifras significativas al reportar cantidades numéricas. 
 
Puede entregar el reporte individualmente o en pareja. Habrá un enlace habilitado para la entrega de reportes en la 
página del curso https://micampus.unal.edu.co/ Recuerde entregar su solución dentro del plazo establecido. 
Soluciones (parciales o totales) entregadas con posterioridad a la fecha y hora límite de entrega tendrán 
una penalización. No se recibirán documentos enviados por correo electrónico. 
 
 
Bibliografía 
 
• Fluid Mechanics, Frank White. 7ed, 2010, McGraw-Hill 
• Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications. Cengel & Cimbala. McGraw-Hill 
• Mecánica de Fluidos, I.H. Shames, McGraw-Hill 
• Blog sobre el concepto de viscosidad:(http://eltamiz.com/2013/08/15/mecanica-de-fluidos-i-
viscosidad/) 
• Blog sobre el concepto de densidad: (https://eltamiz.com/2012/09/14/mecanica-de-fluidos-i-
liquidos-gases-y-plasmas/) 
 
https://micampus.unal.edu.co/
http://eltamiz.com/2013/08/15/mecanica-de-fluidos-i-viscosidad/
http://eltamiz.com/2013/08/15/mecanica-de-fluidos-i-viscosidad/
https://eltamiz.com/2012/09/14/mecanica-de-fluidos-i-liquidos-gases-y-plasmas/
https://eltamiz.com/2012/09/14/mecanica-de-fluidos-i-liquidos-gases-y-plasmas/