INFORME LAB1 VISCOSIDAD

8/13/2019 INFORME LAB1 VISCOSIDAD

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UniversidaddeLaSerenaFacultad deIngeniera

Dpto.deIngenieraMecnicareadeTermofluidos

Mecnica delosFluidosI

Profesor: Luis Gatica

Laboratorio N1: Viscosidad

Sebastin Godoy RojasWillis Reyes Mondaca

Luis Rojas MuozDaniel Lpez Monardez

Resumen

El presente informe corresponde al primer laboratorio de mecnica de fluidos, en estaoportunidad se estudiara de manera experimental una propiedad que poseen los fluidosllamada viscosidad, la experiencia se basa principalmente en 3 sub-experiencias, todas ellasbuscan ver cmo se comporta cierto fluido, en este caso un aceite de motor automotriz, la

primera de ellas busca encontrar una constante de correccin e que representa el roce queejerce el cilindro que rota con el aceite, utilizando un viscosmetro con un peso constante yun nivel de aceite que aumentara progresivamente, quedando en evidencia el aumento delparmetro tiempo para que la masa alcance un nivel indicado, la segunda etapa consta decalcular la viscosidad promedio del aceite por medio de una ecuacin de la viscosidadutilizando la constante anteriormente calculada, variando en esta oportunidad las diferentesmasas con el viscosmetro lleno de aceite, observando claramente que a medida que seaumente el peso el tiempo disminuir. En la tercera etapa se pretende estudiar elcomportamiento que tendr la viscosidad con la temperatura aumentando progresivamentesta, en esta ltima etapa cabe destacar la influencia directa que posee la temperatura con laviscosidad comportndose inversamente proporcional a ella.


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Introduccin

La viscosidad es sin duda una de las propiedades ms importante que poseen losdiferentes fluidos que existen, es por esta razn que para estudiar el comportamiento de los

fluidos debemos de conocer primero como se comporta esta propiedad. La viscosidad es laresistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un mnimo deesfuerzo cortante y depende principalmente de su temperatura.

A continuacin en el presente informe se pretende estudiar los diferentes comportamientosque posee la viscosidad cuando se ve expuesta a diversas situaciones como lo sonbsicamente dos, las variaciones de temperatura y variaciones de fuerzas aplicadas pararomper con un equilibrio esttico de un cilindro rotatorio que conforma un viscosmetro,para esto se pretenden realizar 3 etapas donde se recopilaran los datos necesarios para luego

realizar un anlisis profundo sobre los resultados obtenidos y compararlos con valorescalculados tericamente, mediante el uso de grficos se observaran los comportamientos delas diferentes propiedades del fluido con respecto a el tiempo por ejemplo.

Tambin se pretende confirmar si los datos son o no representativos, ya que como se sabeexisten factores externos que pueden llegar a afectar negativamente los resultados que seobtengan, esto ltimo nos llevara a calcular los errores que se cometieron tanto en laaplicacin del mtodo de medicin como de los instrumentos propiamente tal que seocuparon en la experiencia (pie de metro, pesos, cronometro, termmetro digital).


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Objetivos generales

Medir numricamente el valor de la viscosidad de un aceite automotriz.

Observar el comportamiento que posee la viscosidad a diferentes parmetros comolo es la temperatura.

Tabular los datos obtenidos para luego compararlos con datos tericos.

Analizar los resultados de un punto de vista cientfico.

Objetivos especficos

Primera etapa

Encontrar una constante e que representara el roce que ejerce el cilindro dentro delviscosmetro con el aceite a utilizar.Observar el parmetro tiempo al aumentar la cantidad de aceite progresivamente dentro delviscosmetro con una masa constante.

Segunda etapa:

En base a la constante anteriormente encontrada encontrar el valor de la viscosidadabsoluta del aceite promediando los diferentes valores encontrados para cada peso.Observar el comportamiento del parmetro tiempo y el aceite al ser sometido el a un

incremento en el peso que se aplica para girar el cilindro rotatorio.

Tercera etapa:

Observar como se comporta la viscosidad del aceite al incrementar la temperatura delaceite manteniendo constante el nivel de aceite y la masa.


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Marco Terico

FLUIDO: Un fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente cuandose le aplica una fuerza de corte tangencial. Esto quiere decir que frente a cualquier fuerzade corte aplicada, por muy mnima que sea, el material sufrir una deformacin, sin volver

a su estado original incluso luego de retirar la fuerza.

La principal caracterstica de los fluidos es que la velocidad a la que se desplazandepende de sus caractersticas fsicas, por lo que diferentes fluidos se desplazarn adistintas velocidades, para entenderlo mejor, se puede imaginar a una gota de agua y una demiel escurriendo por una ventana. Por otro lado, se puede observar que, cuando un fluidoest en contacto con una superficie slida, posee la misma velocidad que sta. Por ejemplo,si tenemos agua fluyendo por una tubera, las partculas de agua que se encuentreninmediatamente adyacentes a la pared de la misma estarn inmviles, puesto que la paredno se mueve, mientras que el resto del fluido tendr una velocidad definida. Por ello elfluido presentara distintas velocidades dependiendo de qu tan lejos o cerca est de lasuperficie slida. En el caso de la tubera, el flujo que se desplaza por el centro de la misma

lo har a una mayor velocidad que el que se desplace cerca de la pared. Este es un hechocomprobado de forma experimental.

En la prctica, los fluidos se dividen en dos clases diferentes: fluidos newtonianos y nonewtonianos. La principal caracterstica de los primeros es que se cumplen con la ley deviscosidad de newton. Sin embargo otra divisin de los fluidos son los gases y los lquidos.Las propiedades de un fluido son las que definen el comportamiento y caractersticas delmismo tanto en reposo como en movimiento. Existen propiedades primarias y propiedadessecundarias el fluido. Las propiedades primarias o termodinmicas son la presin, ladensidad, el peso especfico, la temperatura, la energa interna, la entalpa, la entropa y loscalores especficos. Las propiedades secundarias caracterizan el comportamiento especficode los fluidos como la viscosidad, la conductividad trmica, la tensin superficial y lacompresin.


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VISCOSIDAD: La viscosidad es una propiedad que depende de la actividad molecular delas sustancias. Como esta actividad molecular depende de la temperatura, en general, laviscosidad de un mismo fluido puede variar a diferentes temperaturas. Otro fenmeno quese observa, es que esta variacin en funcin de la temperatura no es igual para lquidos ygases. Para los lquidos, la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura y es afectada

tambin por la presin local. En general, la viscosidad al ser la propiedad de un fluido, debeser obtenida de forma experimental.

La viscosidad es la oposicin de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluidoque no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidospresentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximacinbastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad solo se manifiesta en lquidos enmovimiento.

Imaginemos un bloque slido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial, por ejemplouna goma de borrar sobre la que se sita la palma de la mano que empuja en direccinparalela a la mesa. En este caso(a), el material slido se opone una resistencia a la fuerzaaplicada, pero se deforma (b), tanto ms cuanto menor sea si rigidez.

Si imaginamos que la goma de borrar esta deformada por alargadas capas una sobreotras, el resultado de la deformacin es el desplazamiento relativo de unas capas respectode las adyacentes, tal como muestra la figura (c).

En los lquidos, el pequeo rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina

viscosidad. Es su pequea magnitud la que le confiere al fluido sus peculiarescaractersticas: as por ejemplo, si arrastramos la superficie de un lquido con la palma de lamano como hacamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se movern o lo aranmucho ms lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequearesistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente, sirevolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositadopequeos trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro tambin se mueve la


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periferia y al revolver en la periferia tambin dan vueltas los trocitos de corcho del centro;de nuevo, las capas cilndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad,disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos e la cuchara.

Cabe sealar que la viscosidad solo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya quecuando el fluido est en reposo adopta una forma en la que no actan las fuerzas

tangenciales que no puede resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con unlquido, la superficie del mismo pertenece plana, es decir, perpendicular a la nica fuerzaque acta en ese momento, la gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.

Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre las capas adyacentes lo seratambin, lo que significa que stas no podran moverse unas respecto de otras o lo haranmuy poco, es decir, estaramos ante un slido. Si por el contrario la viscosidad fuerza cero,estaramos ante un sper fluido que presenta propiedades notables como escapar de losrecipientes aunque no estn llenos.

La viscosidad es caracterstica de todos los fluidos, tanto lquidos como gases, si bien,

en este ltimo caso su efecto suele ser despreciable, estn ms cerca e ser fluidos ideales.La velocidad de deformacin de un fluido est directamente ligada a su viscosidad. Conun esfuerzo dado, un fluido altamente viscoso se deforma ms lentamente que un fluido debaja densidad. Para un campo de flujo en el que u=u(y), la viscosidad del fluido se definemediante la relacin:

du/dy: gradiente de velocidad y puede ser interpretado como una velocidad de deformacin.t: esfuerzo cortante.


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Relacin gradiente de velocidad y esfuerzo cortante, fluidos newtonianos y no

newtonianos

VISCOCIMETRO ROTATORIO: En este tipo de viscosmetro, el fluido se coloca entredos superficies que se mueven a velocidades diferentes, girando en torno a un eje comn.El esfuerzo de corte que surgir al girar entre ellas debido a la viscosidad del fluido puederelacionarse con el torque requerido para provocar el giro. Del anlisis de las condicionesgeomtricas del viscosmetro pueden encontrarse otras relaciones que ayuden a obtener laviscosidad en funcin de las distintas dimensiones del mismo.

Para la presente experiencia se utilizar un viscosmetro didctico rotatorio de lacompaa Cenco, modelo 74235, denominado Viscosmetro Cinemtica Cenco.

El viscosmetro consiste especialmente en dos cilindros metlicos de diferentes radios,montados en una base rgida de manera que los ejes de giro de ambos cilindros seanconcntricos. El espacio entre los cilindros sirve como contenedor para el fluido a utilizar.El fluido interno descansa sobre un cojinete de manera que pueda rotar con una friccinmnima. Ajustado a la parte superior del cilindro interno, existe un tambor giratorio quecumple la funcin de polea. Una cuerda fina es enrollada alrededor del tambor giratorio quecumple la funcin de polea. Una cuerda fina es enrollada alrededor del tambor y atada a suextremo una masa de peso variable. Cuando se permite que la masa caiga, la cuerda hacegirar el cilindro interno generando un roce viscoso entre ambos tambores, al aplicar lasecuaciones propuestas es posible la obtencin de la viscosidad dinmica. El viscosmetro

tambin dispone de un calentador de resistencia elctrica alojado en la pared del cilindroexterno, que permite ejecutar las pruebas de variacin de viscosidad cinemtica conrespecto a la temperatura.


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Instrumentos e insumos

1. Viscosmetro rotatorio Cenco, modelo 74235, denominado viscosmetro cinemticoCenco.

2. Conjunto de pesas de precisin de 5 a 100 gramos (rango 5 gramos).

3. Pie de metro.4. Jeringa.5. Cinta de medir6. Termmetro digital.7. Cronmetro.8. Aceite automotriz a probar.9. Cuerda para sostener los pesas.

Esquema del viscosmetro rotatorio

Ecuacin de viscosidad

=( )

4 ( + )


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0

20

40

60

80

100

1,97 10 11,3 16,33 22,27

Longitud[mm]

Tiempo [s]

Longitud v/s Tiempo

Experiencia N1: Determinacin de la constante de correccin e.

Objetivo:

Determinar el valor de la constante e que simboliza el efecto del roce del fluido con laparte baja del cilindro rotativo, el roce de los cojinetes y otras fuentes de disipacin de

energa.

Procedimiento y Desarrollo:

Se situ el viscosmetro sobre el borde de una mesa y a una distancia libre de al menos unmetro del piso. Se verti el lquido de prueba en el espacio entre los cilindros externos einternos. Se lleno de ha poco el espacio entre ambos cilindros con el lquido de prueba, demodo que se lograrn cinco mediciones de la altura del fluido, utilizando el pie de metro(I), tomando la ltima medicin hasta el borde superior (lo). Para la primera medicin,se enroll la cuerda alrededor de la polea y se at una masa de 20 gr en el extremo libre.

Luego se midi la distancia s, desde donde caer la masa hasta el piso. Soltando la masay midiendo el tiempo que tarda en caer la distancia s (Debe caer en lnea recta y sinobstculos). Se repiti 5 veces el procedimiento con distintos niveles del fluido de prueba.Se tabularon los resultados del tiempo tpara los valores de l, se graficaron los puntosobtenidos y la lnea de ajuste (regresin lineal).

Obtencin de la constante e:

Para obtener la constante se debe realizar el ajuste lineal entre t y l, el valor de ecorresponder al valor obtenido en la ecuacin de ajuste cuando t=0.

Grfico y tabla

Regresin lineal: Utilizando una calculadora casio fx-350MS.L(t) = 0,010722*t + 0,003723L(t=0) = e = 0,003723Luego utilizar el mdulo de e en la ecuacin del clculo de la viscosidad.

N t (s) l (mm)

1.- 1,97 18

2.- 10,00 44

3.- 11,30 56

4.- 16,33 74

5.- 22,27 92


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0

10

20

30

40

50

11,38 15,61 22,62 43,13 75,3

Masa[gr]

Tiempo [s]

Masa v/s Tiempo

Experiencia N2: Viscosidad absoluta de un fluido.

Objetivo:

Determinar la viscosidad absoluta de un fluido (aceite automotriz) utilizando la ecuacinpropuesta anteriormente para 5 mediciones diferentes y obtener su promedio.


Utilizando el viscosmetro de la misma forma que la experiencia N1, para este caso selleno completamente el espacio entre los cilindros con el fluido. Se efectuaron medicionescon diferentes pesas, manteniendo el mismo nivel de fluido. Se midi la temperaturacorrespondiente a la ambiente (aprox. 19C). Se soltaron las diferentes pesas y se midi eltiempo en que tardan en llegar a la distancia s. Repitiendo siete veces el procedimientocon diferentes pesos (5, 10, 20, 30, 40, 50, 500). Se tabularon los datos con respecto altiempo y masa. Con estos datos se obtuvo el valor de la viscosidad remplazando los valores

en la ecuacin de viscosidad para cada medicin, con ello el promedio de estas y unrespectivo grfico.Ecuacin de viscosidad:

=( )

4 ( + )

B = 30,00[mm], a = 25,20[mm], k =16,50 [mm], g = 9,8[ ], s =1000[mm],

lo = 76,85[mm]e = 0,003723

Tabla, grficos y resultados de la viscosidad

N t (s) m (gr)

1.- 75,30 5

2.- 43,13 10

3.- 22,62 20

4.- 15,61 30

5.- 11,38 40

N Viscosidad= , [

]

= , [

]

= , [

]


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0

10

20

30

40

50

19,98 10,53 7,78 6,72 5,26

Temperatura[C]

Tiempo [s]

Temperatura v/s Tiempo

= 0,533524367[Pa s]

Experiencia N3: Efecto de la variacin detemperatura con la viscosidad.

Objetivo:

Observar el efecto de la temperatura en la viscosidad, se efectuarn 5 mediciones adiferentes temperaturas, utilizando el viscosmetro lleno hasta el borde y una masaconstante de 20 gr.


Realizando los mismos procedimientos anteriores, se mantiene constante la masa y laaltura del lquido hasta el borde pero se vara la temperatura. Primero se coloco una masade 20 gr atada a la cuerda, se midi la temperatura inicial con el termmetro y se conecto el

calentador al viscosmetro para aumentar gradualmente la temperatura del lquido. Seefectuaron cinco mediciones del tiempo en que tarda en caer la masa de 20 gr en ladistancia s y la temperatura a la que se encuentra el fluido al descender la masa. Seobtuvieron los resultados de los valores de la viscosidad a diferentes temperaturas y latabulacin los datos en tablas y grficos.Ecuacin de viscosidad:

=( )

4 ( + )

B = 30,00[mm], a = 25,20[mm], k =16,50 [mm], g = 9,8[ ], s =1000[mm],

lo = 76,85[mm]e = 0,003723

Tabla y grficos

= , [

]

= , [

]

N t (s) T (C)

1.- 19,98 19

2.- 10,53 29

3.- 7,78 34,8

4.- 6,72 40,3

5.- 5,26 45,1


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Conclusin

Conclusin de la experiencia N1

Determinando el valor de la constante e el cual simboliza el efecto del roce del fluidocon la parte baja del cilindro rotativo, el roce de los cojinetes y otras fuentes de disipacinde energa. Este se obtuvo por medio de la regresin lineal que se efectu con respecto altiempo y el nivel de altura de la viscosidad. Este factor de correccin es importante a lahora de obtener resultados con el menor error posible, debido a que tambin existen errorespropios en los equipos que se utilizaron para realizar las mediciones.


Se determin la viscosidad del lquido estudiado por medio de la frmula de viscosidadcon respecto a diferentes masas y al tiempo. Esto explica que mientras mayor sea la masa,menor ser el tiempo en completar el recorrido de la cuerda. Permitiendo obtener laviscosidad con diferentes masas se concluir que estas son relativamente iguales.


Por conclusin se obtiene que al existir mayor temperatura con una masa constante laviscosidad disminuir (comprobndose la definicin terica). Entonces a mayortemperatura con una masa constante, menor ser el tiempo en que la cuerda termine su

recorrido.

Bibliografa

Frank M. WhiteMecnica de fluidos 5ta edicin

Gua N1 Laboratorio de viscosidad

Apuntes del curso de Mecnica de fluidos I


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Imgenes de la experiencia

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