Informe de Física II - Fuerzas de Fricción en Fluidos

Manual de Prácticas de Laboratorio de Física II FUERZAS DE FRICCIÓN EN FLUIDOS Optaciano Vásquez G. 2014

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Universidad nacional

“SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”

FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS

SECCIÓN DE FÍSICA

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE FISICA II

PRACTICA N° 05 “FUERZAS DE FRICCIÓN EN FLUIDOS”

AUTOR:

M.Sc. Optaciano L. Vásquez García

HUARAZ - PERÚ

2014


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UNIVERSIDAD NACIONAL FACULTAD DE CIENCIAS

“SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO” DEPARTAMENTO DE CIENCIAS

SECCIÓN DE FÍSICA

CURSO: FÍSICA II

PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 4.

PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 3.

FUERZAS DE FRICCIÓN EN FLUIDOS

I. OBJETIVO(S):

1.1. Determinar la viscosidad de un fluido utilizando la velocidad límite de esferas cayendo en un aceite

1.2. Estimar la importancia de los efectos debido al tamaño finito del recipiente.

II. MATERIAL A UTILIZAR:

Una probeta graduada de 1 litro de capacidad.

Un soporte universal con dos varillas de hierro y una nuez.

Una regla graduada en milímetros.

Un set de pesas calibradas.

Un cilindro de aluminio.

Cantidades apreciables de agua y aceite.

Una balanza analítica

Esferas de acero de diferente diámetro

Un micrómetro

Un imán de retención

Un Beaker de 1 litro de capacidad

III. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL

3.1. Fuerzas de fricción en fluidos

Cuando un cuerpo se mueve a velocidad relativamente baja través de un fluido interacciona con las moléculas

del mismo efectuando un trabajo que conduce a una disminución de su energía cinética, y por tanto a una

disminución de su velocidad. A escala microscópica este efecto se puede describir mediante una fuerza de

rozamiento, cuyo valor dependerá, por una lado, de la viscosidad del fluido, y por otro de las características

geométricas y cinemáticas del cuerpo en movimiento. Considerando el movimiento de pequeñas esferas en un

fluido contenido en un recipiente de gran tamaño Stokes obtuvo la siguiente fórmula para el rozamiento

viscoso

ˆ6 vF r ve (1)

Donde r es el radio de la esfera, η es el coeficiente de viscosidad y v es la velocidad instantánea de la esfera

móvil a lo largo de la trayectoria.

APELLIDOS Y NOMBRES................................................................................................ ……. CÓDIGO.......................... FECHA..................

FACULTAD................................................... ESCUELAPROFESIONAL................................................ GRUPO.......................

AÑO LECTIVO: ................................... SEMESTRE ACADEMICO................................. .NOTA................................

DOCENTE............................................................................................................ FIRMA.....................................


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La viscosidad de un fluido (un gas o un líquido) manifiesta la resistencia interna al desplazamiento relativo

entre sus moléculas debido a la existencia de fuerzas de atracción entre las mismas. En el régimen laminar, la

viscosidad se define como la fuerza tangencial por unidad de superficie necesaria para mantener una

diferencia de velocidad de 1 cm/s entre dos capas paralelas del fluido separadas 1 cm. El coeficiente de

viscosidad en el SI de unidades se expresa en N.s/m2 mientras que en el sistema CGS el coeficiente de

viscosidad se expresa en dinas.s.cm-2, a esta unidad se le llama poise.

3.2. Variación de la viscosidad con la temperatura.

Existen numerosos ejemplos que muestran la variación de la viscosidad con la temperatura. El aceite para

motor, por lo general es bastante difícil de vaciar cuando se encuentra frío, este hecho indica que su

viscosidad es muy alta. Conforme la temperatura del aceite se incrementa, su viscosidad disminuye

notablemente, ello indica que existe una dependencia entre la viscosidad y la temperatura.

En general todos los fluidos exhiben este comportamiento en algún grado. Las gráficas de la viscosidad en

función de la temperatura corroboran lo expresado anteriormente, es decir la viscosidad de un líquido por

ejemplo disminuye con el incremento de la temperatura. Po el contrario, en los gases la viscosidad aumenta

con el incremento de la temperatura, sin embargo, la magnitud de cambio es, por lo general menor que la de

un líquido.

Una medida de que tanto cambia la viscosidad de un fluido con la temperatura está dada por el índice de

viscosidad, el cual es muy importante cuando se habla de aceites lubricantes y de fluidos hidráulicos que

operan en situaciones extremas de temperatura. Esta situación puede expresarse como: Un fluido con alto

índie de viscosidad muestra un cambio pequeño de la viscosidad con la temperatura, mientras que un bajo

índice de viscosidad exhibe un cambio grande en su viscosidad con respecto a la temperatura.

3.3. Medición de la viscosidad.

Los procedimientos y el equipo para medir la viscosidad de fluidos son numerosos. Algunos de ellos utilizan

los principios básicos de la mecánica de fluidos para obtener la viscosidad en sus unidades básicas y otros

indican valores relativos de la viscosidad que se pueden utilizar para comparar diferentes fluidos.. Uno de los

procedimientos más comunes es el viscosímetro de bola

3.4. Viscosímetro de caída de bola

Para conocer la técnica que emplean los viscosímetros de bola, es necesario estudiar el movimiento de caída

de un cuerpo baja la acción de su peso y de la fuerza de rozamiento del medio circundante a él, obteniéndose

expresiones que definan su velocidad en función del tiempo y su posición inicial.

3.4.1. Peso y Principio de Arquímedes

Despreciando la variación de la gravedad con la altura, el peso W se define como el producto de la

masa por la aceleración de la gravedad y la masa es igual al producto de la densidad del cuerpo ρ por

el volumen v del mismo. Para el caso de la esfera móvil se tiene

34( )3

SW mg r g (2)

De acurdo con el Principio de Arquímedes, “Un objeto que se encuentra parcial o completamente

sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje ascendente igual al peso del fluido

desalojado”. Por, lo tanto el empuje es igual al producto de la densidad del fluido, por el volumen del

cuerpo y por la aceleración de la gravedad, esto es

34( )3

fE r g (3)

3.4.2. Fuerza de rozamiento

Cuando un cuerpo se mueve a través de un fluido aparece una fuerza sobre él que se opone a dicho

movimiento. Esta recibe el nombre de fuerza de rozamiento y tiene su origen en los esfuerzos

tangenciales y normales que el fluido ejerce sobre la superficie del objeto. Este parámetro resulta muy


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difícil de determinar analíticamente, ya que depende de varios factores. Por lo que es necesario

recurrir básicamente a la adquisición de datos experimentales y, con esta finalidad, es costumbre

expresar dicha fuerza en la forma

21

2d fF C Av (4)

Donde v es la velocidad relativa del cuerpo en el fluido, ρf es la densidad del fluido, A es el área se la

sección transversal máxima que el cuerpo ofrece al flujo y Cd es un parámetro empírico llamado

coeficiente de arrastre cuyo valor depende de la forma geométrica del cuerpo, así como del Número

de Reynolds asociado con el flujo alrededor del cuerpo. Dicho número de Reynolds es

f

e

vDR

(5)

Donde d representa la longitud del objeto medida a lo largo de su sección transversal (en el caso de la

esfera es 2r), y η es la viscosidad dinámica del fluido

3.4.3. Ley de Stokes Para un amplio rango de valores del número de Reynolds, la forma funcional del coeficiente de

arrastre Cd se establece en la forma siguiente

24 60, 4

1d

e e

CR R

(6)

Para pequeños valores del número de Reynolds (esto es, Re < 1) el primer término de la ecuación (6)

domina. De esta forma la fuerza de rozamiento sobre un cuerpo de forma esférica de radio r se escribe

así

2 2

2 2121 24

( ) ( )(2 )2

f

v ffe

r vF r v

v rR

6vF r v (7)

Expresión que se conoce como ley de Stokes, en honor al físico Irlandés Sir George Stokes (1819-

1903), quien la dedujo por primera vez en 1845. Esta ley establece que la fuerza de rozamiento que se

opone al movimiento de una esfera a través de un fluido cuando Re < 1, es proporcional a la

viscosidad del fluido, al diámetro de la esfera y a la velocidad de la misma en el seno del fluido.

Si la bola cae verticalmente en el líquido, sobre ella actuarán las siguientes fuerzas: (a) el peso propio

del cuerpo (W); la fuerza de empuje hidrostático (E) y la fuerza de rozamiento (Fv), como se muestra

en el DCL de la esfera.

Aplicando la segunda ley de Newton en la dicción mostrada, se obtiene

z zF ma

( ) v zW E F ma (8)

Si el peso y el empuje hidrostático son constantes, la aceleración az, produce un incremento continuo

de la velocidad y como tal en la fuerza viscosa, de tal modo que el miembro de la izquierda

eventualmente se hace nulo. En dicho instante la aceleración es cero y en adelante no existe mayor


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incremento en la velocidad. A partir de esto la esfera se mueve con una velocidad constante

denominad velocidad terminal o velocidad límite vL.

Figura 1. Diagrama de cuerpo libre de la esferita cuando se mueve en un fluido líquido.

Remplazando las ecuaciones (2), (3) y (7) en la ecuación (8), se obtiene

3 34 4( ) ( ) 6 03 3

S fr r g r v

(9)

Simplificando la ecuación (9), el coeficiente de viscosidad dinámica viene expresado en la forma

22 ( )

9

S f

L

gr

v

(10)

Una forma como determinar la velocidad límite de la esfera, experimentalmente es hacer dos marcas

sobre el tubo de vidrio separado una distancia L y medir el tiempo t que demora en recorrerla. Es decir

LL v t (11)

Al remplazar la ecuación (11) en (10), resulta

22 ( )

9

S fgrt

L

(12)

En la práctica, la ecuación (7) debe ser corregida, dado que no es realista suponer un líquido de

extensión infinita y que la distribución de la velocidad de las partículas del líquido respecto de la

superficie de las partículas del líquido respecto de la superficie de la esfera se encuentra afectada por

las dimensiones finitas del líquido. Para el movimiento de la esferita a lo largo del eje de un cilindro

de líquido infinitamente largo y de radio r, entonces se cumple que

6 1 2, 4v

rF r v

R

(13)

Con lo que la ecuación (12) corregida será

22 ( ) 1

9(1 2,4 )

S fgr t

rL

R

(14)*


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IV. METODOLOGÍA

4.1. Para determinar a constante elástica del resorte

a. Utilizando el resorte helicoidal realice la instalación como se indica en la Fig. 2, el resorte debe

estar amarrado firmemente a la varilla horizontal.

b. Con la cinta métrica mida por cuatro veces la longitud del resorte sin carga exterior. Registre su

valor en la Tabla I.

c. Coloque la masa m1= 50gr en la porta pesa y el conjunto en el extremo libre del resorte y espere que

alcance el equilibrio estático, proceda entonces a medir por cuatro veces la longitud final del resorte,

Lf. anote su valor en la Tabla I.

d. Repita el paso “c” para las demás pesas m2, m3,… Registre sus valores en la tabla I.

Figura 2. Instalación del equipo para determinar la constante elástica k.

Tabla I. Datos y cálculos para hallar la constante elástica k

4.2. Para determina la densidad del aluminio

a. Con la balanza mida la masa del cilindro de aluminio.

b. Coloque el cilindro de aluminio en el extremo libre del resorte y lleve al sistema resorte – cuerpo

lentamente hasta la posición de equilibrio estático, entonces mida por cinco veces la longitud final

del resorte Lf1ρ. Registre sus valores en la Tabla II.

c. Introduzca el cilindro de aluminio unido al resorte, en el Beaker conteniendo agua hasta que el

cuerpo quede totalmente sumergido en el fluido como se muestra en la figura 3. Espere que se

Longitud inicial

Masa

Longitud final

N°

L0 cm)

m (gr)

Lf (cm)

1 2 3 4 L0,prom

1

2

3

4

5

6

7


7

alcance el equilibrio estático y entonces proceda a medir por cuatro veces la longitud final del

resorte Lf2. Registre sus valores en la Tabla II.

Figura 3. Instalación del cilindro de aluminio dentro de agua.

Tabla II. Datos y cálculos para determinar la densidad del aluminio

4.3. Para determinar la densidad del aceite

a. Con la balanza mida la masa del cilindro del aluminio. Anote su valor en la Tabla III.

b. Coloque el cilindro de aluminio en el extremo libre del resorte y espere que alcance el equilibrio,

entonces mida por cinco veces la longitud final del resorte Lf2. Registre sus valores en la Tabla III.

c. Introduzca el cilindro de aluminio sujeto al resorte, en el Beaker contenido en agua como se muestra

en la figura 4. Una vez que se alcanzó el equilibrio mida por cuatro veces la longitud final del resorte

Lf2. Registre sus valores Reemplace el agua del Beaker por el aceite e introduzca completamente el

cilindro dentro del aceite como se muestra en el figura 8. Una vez alcanzado el equilibrio proceda a

medir la longitud final del resorte por cinco veces, Lf3. Registre sus valores en la Tabla III.

Figura 4. Instalación del cilindro de aluminio dentro de aceite.

Material

Longitud

del resorte

sin

deformar

Longitud del resorte con carga (en

aire)

Lf,1 (cm)

Longitud del resorte con carga

(en H2O) Lf,2 (cm)

Masa

(gr)

1 2 3 4 LProm 1 2 3 4 LProm

Aluminio


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Tabla III. Datos y cálculos para determinar la densidad de un líquido

Material

Longitud del

resorte

sin deformar

L0(cm)

Longitud del

resorte

cargado ( en aire)

Lf1 (cm)

Longitud del

resorte cargado

(en agua)

Lf2 (cm)

Longitud del resorte

del resorte cargado (en

aceite)

Lf3 (cm)

Masa

(gr)

Aluminio

4.2. Para determinar el coeficiente de viscosidad

a. Vierta lentamente el aceite hasta llenar la probeta de vidrio graduada como se muestra en la figura

5b. En el caso de formación de burbujas espere cierto tiempo a fin de que ellas desaparezcan

b. Trace dos marcas, una superior A y otra inferior B en el tubo como se muestra en la figura 5c.

c. Con la cinta métrica mida la distancia h entre las dos marcas por 04 veces y registre su valor en la

Tabla IV

d. Con el micrómetro mida por 03 veces el diámetro de cada una de las esferas y registre sus valores en

la tabla IV

e. Con el vernier mida el diámetro interior de la probeta graduada por cinco 03 veces. Registre sus

valores en la Tabla IV

(a) (b) (c)

Figura 5. Equipo para determinar la viscosidad del aceite.

f. Deje libre la esfera de masa m1 en la superficie libre del aceite y con el cronómetro mida el tiempo

que demora en recorrer la distancia AB = h. Registre sus valores obtenidos en la Tabla IV

g. Con el imán extraiga la esferita de masa m1 y repita el paso (f) por cinco veces. Registre sus valores

en la Tabla IV.

h. Con la balanza analítica mida la masa de cada una de las esferitas usadas en el experimento. Registre

sus valores en la Tabla IV

i. Repita los pasos (f) y (g) para cada una de las esferitas de masas m2, m3 y m4.


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Tabla IV. Datos y cálculos para determinar el coeficiente de viscosidad del aceite

N°

Altura AB

h(cm)

Tiempo que demora la esferita

en recorrer la altura h

t(s)

Diámetro de cada

esferita

d (mm)

Diámetro interno del

tubo de vidrio

D (cm)

Masa de

cada

esferita

m (g)

t1 t1 t1 t1 t1 tpro d1 d2 d3 dpro D1 D2 D3 Dpro

1

2

3

4

V. CUESTIONARIO

5.1. Con los datos de la Tabla I, trace una gráfica F= f(y), donde ∆𝒚 = 𝒚 es la deformación del resorte, y a partir

de ella determine la constante elástica k del resorte con su respectivo error absoluto y porcentual. Para ello se

debe obtener la recta de ajuste mediante mínimos cuadrados

5.2. Con los datos de la Tabla II, determine la densidad del aluminio, con su error absoluto y porcentual.

5.3. Con los datos de la Tabla III, determine la densidad del aceite con su respectivo error absoluto y porcentual.

5.4. Con los datos de la tabla IV y usando la ecuación (14)*, determine la viscosidad del aceite con su respectivo

error absoluto y porcentual

5.5. Defina la expresión velocidad límite de la manera en que se aplica a un viscosímetro de bola

5.6. ¿Qué importancia tiene la viscosidad en los fluidos utilizados como lubricantes en las máquinas?.

5.7. ¿Qué importancia tiene en su criterio la viscosidad de un fluido en un proceso industrial?

5.8. ¿Cuáles son las posibles fuentes de error?.

5.9. ¿Qué otros métodos propondría utilizar para medir el coeficiente de viscosidad de los líquidos?. Describa

detalladamente cada uno de ellos.

5.10. ¿Qué significa grados de viscosidad SAE, que se ha desarrollado para la valoración en aceites de motor y

lubricantes

VI. RECOMENDACIONES

6.1. Asegúrese que las deformaciones del resorte estén dentro del rango elástico.

6.2. Minimice las deformaciones abruptas de los resortes porque pueden producir deformaciones permanentes.

6.3. Para extraer las esferillas con el imán hágalo con sumo cuidando evitando de este modo romper la probeta

calibrada

6.4. Para hacer las mediciones de deformaciones asegúrese que el resorte esté completamente en equilibrio estático.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. GOLDEMBERG, J “Física General y experimental” Vol I. Edit. Interamericana S.A. México 1972

2. MEINERS, H., EPPENSTEIN, W., MOORE, K “Experimento de Física” Edit. Limusa. México 1970

3. CARPIO, A., CORUJO, J., ROCHI, R. “Módulo de física”. Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de

Entre Ríos. Argentina, 1996.

4. SERWAY, R “Física” Tomo I. Edit. Mc Graw – Hill. México 1993.

5. TIPLER, P. “Física” Vol I. Edit. Reverte. España 1993.

Engineering

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