Fuerza de Chorro

 

Laboratorio de Mecanica de Fluidos Fecha de realización: Mayo 10 de 2018 Fecha de presentación: Mayo de 24 2018 

 

Fuerzas de un chorro de agua F orce orce of a wa wate terr j et Edinson Sequea, Felipe Romani, Laura Vega, Jorlany Zapata.

R esumen esumen: En el presente informe se sintetizan y organizan los datos recolectados de la experiencia de tal forma que nos  permitan entender entender se forma clara y concreta el el concepto de fuerza de un chorro de agua, relacionándolo relacionándolo con varia variables bles como el caudal, la distancia y el tiempo, que a su vez nos permiten realizar cálculos que detallan las dimensiones en que se da este fenómeno.

Palabras Clave: Fuerza, chorro de agua, superficie de impacto.    Absttract   Abs ract : This report synthesizes and organizes the data collected from the experience in such a way as to enable us to understand clearly and concretely the concept of the force of a jet of water, relating it to variables such as flow, distance and time, which in turn allow us to make calculations that detail the dimensions in which this phenomenon occurs.

K eywords: ywords: . Force, water jet, impact surface  

I. 

OBJETIVOS 

  Objetivo general:



  Objetivos específicos:



.

II.  INTRODUCCIÓN  Siempre que un fluido en movimiento se desvía de su dirección inicial o su velocidad cambia, se requiere una fuerza que efectué dicho cambio, en muchos casos esta fuerza es destructiva; es decir el fluido la brinda a un objeto o superficie al ‘’chocar’’ con esta. Lo anterior se basa en el

 principio de la transferencia de momentun y a la

vez es un concepto importante para el diseño de muchos equipos que aprovechan la energía  brindada, para transformarla en otra forma de mayor utilidad para la industria o la sociedad, claro ejemplo de lo turbinas donde los chorros de agua o dicho gas a son granlas velocidad impactan los álabes o aspas y la hacen girar, permitiendo que impulse un generador que produce energía eléctrica; de lo anterior se puede observar que es de vital importancia comprender los fundamentos que rigen la determinación de las fuerzas de impacto con el fin de aprovechar al máximo la energía que pueda añadir a un equipo o cualquier  proceso.

 

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 Perdidas por fricción

 =  ∗  ∗∆ ∆

(4) 

Esta es la forma general de la ecuación de la fuerza que se emplea en problemas de flujo, porque involucra la velocidad y el flujo volumétrico, conceptos que por lo general son conocidos en un sistema de flujo.

F ig. 1 Modelo de fuerza de chorro III.  MARCO TEORICO 

Ecuación de fuerza Para la determinación de la fuerza ejercida sobre un fluido para cambiar la dirección o velocidad del mismo, es frecuente que se utilice la segunda ley del movimiento de Newton expresado de la siguiente manera:

 =  ∗

((11) 

La ecuación de la fuerza Ec.4 se relaciona con otro  principio de la dinámica de fluidos: la la ecuación del impulso-cantidad de movimiento.  movimiento.  Se define al impuso como la fuerza que actúa sobre un cuerpo durante un periodo de tiempo, y se indica por medo de:     = (∆ (∆)) 

Descripción del equipo El equipo sirve para estudiar las fuerzas de un fluido sobre distintos cuerpos de choque. Las fuerzas de impulsión se generan mediante un chorro de agua.

Coma la aceleración es la tasa del cambio de la velocidad con respecto al tiempo. Sin embargo, como la velocidad es una cantidad vectorial, que tiene magnitud y dirección, al cambiarse alguna de estas se originará una aceleración. De acuerdo a la Ec. 1 se requiere de una fuerza para efectuar el cambio.

Agua almacenada por una bomba es succionada  por una bomba, que impulsa el agua a través del sistema de tuberías. El agua, al acercarse al final de su recorrido, pasa por una boquilla acoplada a un tubo (que se encuentra en el interior de un cilindro de acrílico) e impacta una superficie, la cual mueve una regla (con soporte a la superficie de la mesa) que alcanzará el equilibrio con un contrapeso fijo y

En problemas de movimiento de fluidos, se hace que un flujo continuo experimente la aceleración y es deseable que la ecuación de Newton tenga otra forma:

un peso móvil.

∆ =∗   ∆

(2) 

El término ⁄∆  se interpreta como el flujo másico, es decir, la cantidad de masa que fluye en una cantidad de tiempo dada. Por lo tanto,

 =∗ ∆

(3) 

Donde  es la densidad del fluido, entonces la Ec. 2 se convierte en:

IV.  METODOLOGÍA   Se trabajó con una boquilla de 8 mm de diámetro. Después de colocar la superficie de impacto plana en su lugar, se llevó la regla al equilibrio, usando la  pesa móvil de 0,565 g. Se puso en marcha la  bomba, regulando la frecuencia, i.e., regulando el flujo de agua. Se llevó la regla al nuevo equilibrio y se registró la medida del valor Z, que es la distancia que recorre la pesa desde el primer equilibrio (punto cero) hasta alcanzar el nuevo. Se hicieron 5 corridas, variando la frecuencia (caudal).

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 Perdidas por fricción

Después se sustituyó la superficie de impacto por una cóncava y una inclinada, inclinad a, y se realizó el mismo  procedimiento anteriormente citado para cada una.

V.  RESULTADOS Y CALCULOS  Para la superficie plana Corrida 1 2 3 4 5

Caudal(L/min) Caudal(L/min) 10,37 12,84 14,14 15,74 16,84

Z(m) 0,0508 0,0794 0,0857 0,1048 0,1175

Fuerza(N) 1,33 2,07 2,24 2,74 3,07

Tabla 1. Caudales y fuerzas para cada corrida cuando el chorro de agua impacta contra una superficie plana .

Corrida 1 2 3 4 5

Caudal(L/min) Caudal(L/min) 7,51 11,64 13,13 15,03 15,61

Z(m) 0,0603 0,0746 0,0794 0,0889 0,0952

Fuerza(N) 1,57 1,95 2,07 2,32 2,49

 Figura 1. Caudal vs Fuerza de chorro en superficie plana Tabla 3. Caudales y fuerzas para cada corrida cuando el chorro de agua impacta en una superficie cóncava  cóncava  

Caudal vs Fuerza de chorro para superficie concava 6.00

    )    N     ( 4.00    a    u    g 2.00    a    F

0.00 4.00

Caudal vs Fuerza de chorro para superficie Plana

6.00

8.00

10.00 12.00 14.00 16.00

Caudal(L/min)

 Figura 3. Caudal vs fuerza de chorro en superficie cóncava.

VI.  ANALISI DE RESULTADOS

3.50 3.00

    )    N     ( 2.50    a    u    g 2.00    a    F

1.50

1.00 9.00

11.00

13.00

15.00

17.00

19.00

Caudal (L/min)

 

Corrida 1 2 3 4 5

Caudal(L/min) 7,51 11,64 13,13 15,03 15,61

Z(m) 0,0603 0,0746 0,0794 0,0889 0,0952

Fuerza(N) 1,57 1,95 2,07 2,32 2,49

Tabla 2. Caudales y fuerzas para cada corrida cuando el chorro de agua impacta contra una superficie inclinada.

Fuerza(N) Caudal vs Fuerza de chorro superficie inclinada 1,57 1,95 3.00 2,07 2.50     ) 2.00 2,32    N     (    a 2,49    u 1.50    g    a    F 1.00

0.50 0.00 7.00

9.00

11.00 13.00 15.00 17.00 19.00

Caudal (L/min)

 Figura 2. Caudal vs Fuerza de chorro en superficie inclinada.

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 Perdidas por fricción

el resorte y con esta se determina la fuerza aplicada.

VIII.   CONCLUSION  IX.  RECOMENDACIONES    

Verificar que en cada ensayo el chorro impacte lo más cercano posible en el centro del área de impacto.   Preferiblemente trabajar con caudales no muy elevados con el fin de que sea más fácil cumplir lo anterior y obtener mejores resultados.   Realizar lo máximo de ensayos posible con el fin de obtener más rangos para observar mejor el comportamiento de la fuerza.

VII.  PREGUNTAS  ¿Cómo influye el diámetro de las boquillas en la fuerza del fluido?   fluido? R/  R/  Se puede observar que la fuerza de choque es directamente proporcional a la velocidad, y si realizamos un análisis sobre la misma magnitud de flujo volumétrico y de acuerdo a la ecuación de conservación de la materia, al disminuir el área de descarga aumentará la velocidad y al aumentar el área disminuirá la velocidad por lo que se puede afirmar que, al ir aumentando los diámetros de las boquillas con el mismo caudal, la fuerza de impacto ira disminuyendo.

X.  BIBLIOGRAFIA [1]

MOTT, R. L.,  Me  M ecánica cánica de F luidos luidos, PEARSON Educación, México 2006, cap. 16, FUERZAS DEBIDO A LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO, pág. 503-514.

¿Cómo influye la variación de la presión en la fuerza y el caudal del fluido?   fluido? R/ Como se puede observar en las diferentes tablas de resultados cuando el manómetro marcó presiones mayores de cero, el caudal se veía veía disminuido drásticamente; por lo cual, al disminuir el caudal para determinada área constante, la velocidad de salida y por ende de impacto se verá disminuida y como consecuencia de esto último la fuerza de impacto. Es decir que al aumentar la presión tanto el flujo como la fuerza disminuirán. ¿Qué otro mecanismo se le ocurre a usted para calcular la fuerza de un chorro de agua?  agua?   R/ Un mecanismo alternativo serio basándonos en la ley de Hooke, utilizando un resorte con una constante de elongación conocida y una superficie plana o de cualquier forma en el extremo del mismo. El chorro se impacta sobre la superficie de manera perpendicular y se mide la distancia que se contrae

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