Unidad i Hidraulica Basica

1 HIDRAULICA BÁSICA APUNTES Carrera : Ingeniería Civil Clave de la asignatura : ICG-1018 SATCA1 3-3-6 COMPILADOR: ING. JORGE WALBERTO CARRASCO SILVA I.T.O.

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TEMARIO

UNIDAD 1. Hidrostática 1.1. Propiedades de los fluidos (densidad, peso específico, tensión superficial, viscosidad, módulo de elasticidad, volumétrica, presión de vaporización y capilaridad). 1.2. Presión hidrostática 1.2.1. Ecuaciones básicas de la estática de los fluidos. 1.2.2. Distribución de presión. 1.2.3. Dispositivos de medición. 1.3. Empuje hidrostático. 1.3.1. Resultante de la cuña de presiones. 1.3.2. Centro de presiones. 1.3.3. Empujes en superficies planas y curvas. 1.4. Flotación. 1.4.1. Principio de Arquímedes. 1.4.2. Condiciones de equilibrio de cuerpos en flotación 1.1 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS (DENSIDAD, PESO ESPECIFICO, TENSIÓN SUPERFICIAL, VISCOSIDAD, MODULO DE ELASTICIDAD VOLUMÉTRICA, PRESIÓN DE VAPORIZACIÓN, CAPILARIDAD). CONCEPTOS hidráulico, ca. (Del lat. hydraulĭcus, y este del gr. ὑδραυλικός, der. de ὑδραυλίς, Parte de la mecánica que estudia el equilibrio y el movimiento de los fluidos. fluido, da. (Del lat. fluĭdus). adj. Se dice de las sustancias en estado líquido o gaseoso. Fluido, sustancia que cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una superficie límite definida. En contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos, porque los

2 sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los glaciares.

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS 1. Fluidos Newtonianos. Los Fluidos Newtonianos son aquellos cuya viscosidad es constante, o dicho de otra forma, son aquellos cuyo esfuerzo cortante es directamente proporcional al gradiente de velocidad. Mucho fluidos comunes como el agua, el aire y el aceite son newtonianos. 2. Fluidos No Newtonianos. Tienen el esfuerzo cortante como función de relaciones de velocidad de deformación y tienen una composición molecular compleja. 3. Dilatantes. Son aquellos que se vuelven mas resistentes al movimiento conforme se incrementa la velocidad de deformación. 4. Pseudoplásticos. Son aquellos que se vuelven menos resistentes al movimiento conforme se incrementa la velocidad de deformación.

Grafica de fluidos newtonianos y no newtonianos

3 Concepto de masa: cantidad de materia que contiene un cuerpo y se calcula con la fórmula m= W/g en la que W es el peso del cuerpo en Kg y g es la aceleración de la gravedad Peso específico es el peso por unidad de volumen: ω=W/V

(62.42 lb. /pie3)*(0.4536 kg/lb./0.30483 m3/ pie 3) = 999.8893 kg/m3 Masa específica o densidad es la masa por unidad de volumen: ρ

g=(32.2 pies/segundo2)*(0.3048 m/pie)=9.8145 m/segundo2) Por lo tanto: ρ= w/g

Densidad relativa: es el cociente del peso de un volumen de una substancia, entre el peso de un volumen igual de agua a 40c

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Viscosidad (m) de un fluido es la medida de la facilidad o dificultad relativa con que puede deformarse una partícula del mismo o con la que pueden girar entre sí estas partículas, en los líquidos ésta disminuye al aumentar la temperatura y en los gases sucede lo contrario, aumenta. Cálculo de la viscosidad: m= t/(dν/dy) en la que t= esfuerzo cortante o tangencial en kg/m2, (dv/dy)= gradiente de velocidad en (m/seg.)/m, por consiguiente, las unidades resultantes son (kg.- seg.)/m2

70°F=0+(0.555555*(70-32)=21.11111°C (0.00002050 lb- seg/pie2)*(0.4536 kg/lb/0.30482m2/pie2)=(0.00010009 kg-seg./m2)

5 Viscosidad cinemática: es el cociente de la viscosidad entre la masa: n= m/r y sus unidades son m2/seg.

(0.00001059pie2/seg)*=0.30482m2/pie2=9.8384X10-7 m2/seg. Tensión superficial: es el indicador de las fuerzas de cohesión de las partículas de un líquido entre sí.

(0.00498lb/pie)*(0.4536 kg/lb/0.3048m/pie)=0.007411kg/m Adhesión: es el indicador de las fuerzas de atracción entre las partículas de un líquido y las partículas de las paredes del recipiente que lo contiene Cohesión: es la medida de las fuerzas de atracción que experimentan las moléçulas de un fluído entre sí Módulo de elasticidad E de los líquidos se define por el cambio de la intensidad de presión dividido por el cambio correspondiente del volumen por unidad de volumen y se calcula como: E= Dp/(DV/V), para el agua tenemos un valor de 21111kg./cm2, aproximadamente y de aquí parte el supuesto de que los líquidos son incompresibles para la mayoría de los problemas de la hidráulica.

(300000lb/pulg2)*(0.4536kg/lb/2.542cm2/pulg2)=21092.44218kg/cm2.=

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Dv/v

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Presión de vapor, presión que ejerce el vapor en equilibrio con el líquido o el sólido que lo origina a determinada temperatura. Todos los sólidos y líquidos producen vapores consistentes en átomos o moléculas que se han evaporado de sus formas condensadas. Si la sustancia, sólida o líquida, ocupa una parte de un recipiente cerrado, las moléculas que escapan no se pueden difundir ilimitadamente sino que se acumulan en el espacio libre por encima de la superficie del sólido o el líquido, y se establece un equilibrio dinámico entre los átomos y las moléculas que escapan del líquido o sólido y las que vuelven a él. La presión correspondiente a este equilibrio es la presión de vapor y depende sólo dela naturaleza del líquido o el sólido y de la temperatura, pero no depende del volumen del vapor; por tanto, los vapores saturados no cumplen la ley de Boyle-Mariotte. La presión de vapor en los líquidos crece rápidamente al aumentar la temperatura; así, cuando la presión de vapor es igual a 1 atmósfera, el líquido se encuentra en su punto de ebullición ya que el vapor, al vencer la presión exterior, se puede formar en toda la masa del líquido y no sólo en su superficie.

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capilaridad. f. Cualidad de capilar. || 2. Fís. Fenómeno por el cual la superficie de un líquido en contacto con un sólido se eleva o deprime según aquel moje o no a este. Capilaridad: La capilaridad de los líquidos se debe a que la atracción de sus moléculas por la superficie con la que están en contacto (adhesión) es mayor o menor que la atracción que experimentan entre ellas mismas (cohesión). Las moléculas de agua, por ejemplo, se atraen menos entre sí de lo que son atraídas por el vidrio, por lo que el agua asciende por un tubo de vidrio delgado sumergido en un recipiente con agua. Las moléculas de mercurio, en cambio, se atraen más entre sí de lo que atraen al vidrio, por lo que el mercurio baja por un tubo de vidrio delgado sumergido en un recipiente con mercurio.© Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.

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líquido es aquel fluído cuyo volumen es definido, toma la forma del recipiente que lo contiene, tiene una fuerza de cohesión de gran magnitud, su parte superior abierta a la atmósfera forma una línea horizontal perpendicular a la fuerza de gravedad llamada "superficie libre" gas es un conjunto de moléculas con pequeña fuerza de cohesión, con espacios intermoleculares relativamente grandes, de volumen indefinido si no está confinado, no forma superficie plana abierta a la atmósfera y ocupa la totalidad de un recipiente cerrado por expansión molecular, confinado forma una atmósfera esencialmente hidrostática

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1.2 PRESIÓN HIDROSTÁTICA 1.2.1 Ecuaciones básicas de la estática de los fluidos

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1.2.2. Distribución de presión presión hidrostática: es la fuerza por unidad de superficie a la que esta sometido un cuerpo ubicado a determinada profundidad en el seno de un líquido en reposo distribución de la presión hidrostática la presión en el seno de un líquido es igual al peso de la columna de agua por unidad de superficie a una determinada profundidad y se distribuye en función directa de ella p=wh en la que p es la presión, w es el peso específico del líquido y h es la profundidad a la que se mide la presión, despejando h tenemos: h= p/w y se denomina "carga de presión", es decir, la presión en el seno de un líquido es función directa tanto de la profundidad a la que se desea medir como del peso específico del líquido en cuestión.

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1.2.3 Dispositivos de medición medición de la presión presión barométrica es la que se mide con un barómetro y generalmente es un valor de la presión atmosférica

Barómetro, instrumento para medir la presión atmosférica, es decir, la fuerza por unidad de superficie ejercida por el peso de la atmósfera. Como en cualquier fluido esta fuerza se transmite por igual en todas las direcciones. La forma más fácil de medir la presión atmosférica es observar la altura de una columna de líquido cuyo peso compense exactamente el peso de la atmósfera. Un barómetro de agua sería demasiado alto para resultar cómodo. El mercurio, sin embargo, es 13,6 veces más denso que el agua, y la columna de mercurio sostenida por la presión atmosférica normal tiene una altura de sólo 760 milímetros.(el barómetro de mercurio fué inventado por Torricelli en 1643) la presión atmosférica es el peso de la columna de aire atmosférico por unidad de superficie de un cuerpo, se mide en altura de mm. de mercurio (a nivel del mar=760 mm. de Hg. equivalente a 1 bar.), también se mide en atmósferas (1 atm.=1.033kg/cm2) ó en kg/cm2). convención internacional: la presión estándar o de referencia es al nivel del mar a una temperatura de 15 grados centígrados y es de 1013.2 mb. la presíon atmosférica varía con la altitud a razón de 1 mb. por cada 10 m. ó más exacto por la fórmula: p = 1013.2((288-0.0065z)/288)5.256 en la que z= altitud sobre el nivel del mar en m., p= presión en mb. de superficie de un cuerpo. Un barómetro de mercurio ordinario está formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. Cuando el tubo se llena de mercurio y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido, el nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por encima del nivel del recipiente y deja un vacío casi perfecto en la parte superior del tubo. Las variaciones de la presión atmosférica hacen que el líquido del tubo suba o baje ligeramente; al nivel del mar no suele caer por debajo de los 737 mm ni subir más de 775 mm. Cuando el nivel de mercurio se lee con una escala graduada denominada nonius y se efectúan las correcciones oportunas según la altitud y la latitud (debido al cambio de la gravedad efectiva), la temperatura (debido a la dilatación o contracción del mercurio) y el diámetro del tubo (por los efectos de capilaridad), la lectura de un barómetro de mercurio puede tener una precisión de hasta 0,1 milímetros.

19 Un barómetro más cómodo (y casi tan preciso) es el llamado barómetro aneroide, en el que la presión atmosférica deforma la pared elástica de un cilindro en el que se ha hecho un vacío parcial, lo que a su vez mueve una aguja. A menudo se emplean como altímetros (instrumentos para medir la altitud) barómetros aneroides de características adecuadas, ya que la presión disminuye rápidamente al aumentar la altitud. Para predecir el tiempo es imprescindible averiguar el tamaño, forma y movimiento de las masas de aire continentales; esto puede lograrse realizando observaciones barométricas simultáneas en una serie de puntos distintos. El barómetro es la base de todos los pronósticos meteorológicos. Véase Meteorología. presión manométrica es la que se mide con un manómetro y generalmente es la medida de la presión al interior de los líquidos es la que se mide con un manómetro y generalmente es la medida de la presión al interior de los líquidos

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1.3 Empuje hidrostático 1.3.1 resultante de la cuña de presiones Denominada también empuje y es la suma de las componentes de la presión que actúa sobre un plano vertical sumergido en un líquido en reposo y con superficie abierta a la atmósfera siendo igual al área del triángulo o trapecio de presiones sobre el plano se obtiene aplicando el concepto de presión, el de centro de gravedad de áreas y el de momento de áreas alrededor de un eje o de un punto.

1.3.2

Centro de presiones

Es el punto en el que se considera aplicada la resultante de las presiones y cuya profundidad es la misma que la del centroide del área de distribución de las presiones

1.3.3 empujes en superficies planas y curvas

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Empujes en superficies curvas

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1.4 Flotación 1.4.1 principio de Arquímedes primer principio de Arquímedes: ley física que establece que cuando un objeto se sumerge total o parcialmente en un líquido, éste experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del líquido desalojado. La mayoría de las veces se aplica al comportamiento de los objetos en agua, y explica por qué los objetos flotan y se hunden y por qué parecen ser más ligeros en este medio. segundo principio de Arquímedes: un cuerpo que flota desplaza su propio peso en el líquido en el que flota. El concepto clave de este principio es el ‘empuje’, que es la fuerza que actúa hacia arriba reduciendo el peso aparente del objeto cuando éste se encuentra en el agua. Por ejemplo, si un bloque metálico que posee un volumen de 100 cm3 se hunde en agua, desplazará un volumen similar de agua cuyo peso aproximado es 1 N. Por tanto, el bloque parecerá que pesa 1 N menos. Un objeto flota si su densidad media es menor que la densidad del agua. Si éste se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza (y, por tanto, el empuje) es mayor que su propio peso, y el objeto es impulsado hacia arriba y hacia fuera del agua hasta que el peso del agua desplazada por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante. Así, un bloque de madera cuya densidad sea 1/6 de la del agua, flotará con 1/6 de su volumen sumergido dentro del agua, ya que en este punto el peso del fluido desplazado es igual al peso del bloque. Por el principio de Arquímedes, los barcos flotan más bajos en el agua cuando están muy cargados (ya que se necesita desplazar mayor cantidad de agua para generar el empuje necesario). Además, si van a navegar en agua dulce no se pueden cargar tanto como si van a navegar en agua salada, ya que el agua dulce es menos densa que el agua de mar y, por tanto, se necesita desplazar un volumen de agua mayor para obtener el empuje necesario. Esto implica que el barco se hunda más.

1.4.2 condiciones de equilibrio de cuerpos en flotación

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