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FUERZA DE FRICCION EN FLUIDOS
I. OBJETIVOS:
Determinar el coeficiente de viscosidad de fluidos viscosos.
II. FUNDAMENTO TEORICO:
Viscosidad propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando
se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta
resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La
fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las
capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un
recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el
fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida
de su viscosidad.
Los gases y los líquidos tienen una propiedad conocida como la
viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia fluir ofrecida por un
líquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la
adherencia. La viscosidad se produce por el efecto de corte o
deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con
respecto a otro y es completamente distinta de la atracción molecular. Se
puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas y
se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales.
En el movimiento de fluidos, LA VISCOSIDAD es similar a la fuerza de
fricción en los cuerpos sólidos. En los fluidos viscosos, la viscosidad
produce una resistencia a la formación, o resistencia a que unas capas de
fluidos resbalen sobre las otras, y por tanto da origen a una perdida de
energía.
En los fluidos muy poco viscosos ( aire y agua) la resistencia a la
deformación en el interior del fluido es muy pequeña, pero la viscosidad se
hace sentir intensamente en la capa adyacente al fluido. En los fluidos en
reposo, el esfuerzo cortante es nulo, y el único esfuerzo existe en el normal
o presión. El fluido normal en reposo se comporta exactamente como un
fluido ideal.
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Cuando un cuerpo se mueve a la velocidad relativamente baja a través de
un fluido, la fuerza de fricción puede obtenerse en forma aproximada,
suponiendo que es proporcional a la viscosidad. El coeficiente de fricción,
depende de la forma del cuerpo que se mueve; por ejemplo, los objetivos
esféricos que caen en fluidos experimentan la acción de fuerzas viscosas,
las cuales se expresan mediante LA LEY DE STOKES, y las que se les
denominan fuerzas de arrastre F
Donde:
R = radio de la esfera.
η = Coeficiente de viscosidad.V = velocidad de la esfera relativa la fluido.
Cuando un cuerpo esférico cae dentro de un fluido viscoso debido a la
acción se su peso, estará sometido también a la acción de la fuerza de
viscosidad y del empuje. Cuando se equilibran estas tres fuerzas, la esfera
empieza moverse con velocidad constante, a la que se le denomina
“VELOCIDAD LIMITE” . en estas condiciones se puede determinar la
velocidad limite de la esfera, y el coeficiente de viscosidad del fluido,
utilizando la siguiente relación,
Donde:
VL = Velocidad limite.
δc = Densidad del cuerpo.
δf = Densidad del fluido.R = Radio de la esfera.g = Gravedad.
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F = 6 π.η . R.V
η = ( δC - δF )
III . MATERIAL Y EQUIPO:
Tubo cilíndrico de vidrio.
Esferas pequeñas de metal.
Un imán.
Un cronometro.
Fluidos viscosos ( debería traer el alumno).
Balanza eléctrica.
Calibrador vernier.
Termómetro.
IV . PROCEDIMIENTO:
1. En la balanza obtenga la masa del fluido, luego lea su volumen,
para determinar su densidad.
2. Mida el radio de la esfera ( 10 veces ), y también sus masa, para
que determine la densidad de la esfera.
3. Deje caer la esfera de metal dentro del tubo con fluido, y mida el
tiempo (10 veces) que emplea recorrer cada una de las siguientes
distancias: 50 cm, 40 cm, 30 cm, 20 cm, 10 cm.
4. Anote el valor de la temperatura.
V . DATOS:
ALTURA
CM
T1
Seg
T2
Seg
T3
Seg
T4
Seg
T5
Seg
T6
Seg
T7
Seg
T8
Seg
T9
Seg
T10
Seg
50 2,8 2,8 2,3 2,2 2,1 2,2 2,1 2,2 2,1 2,2
40 2,1 2,0 2,3 2,2 2,0 2,1 2,3 2,1 2,0 2,1
30 1,1 1,6 1,4 1,5 1,2 1,6 1,2 1,3 1,4 1,3
20 0,9 0,8 0,9 0,8 1,0 0,9 1,1 0,9 1,1 1,1
10 0,9 0,9 0,7 0,7 0,8 0,6 0,7 0,6 0,7 0,7
D = 2.56 mm
R = 1.28 mm
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VI. PROCESAMIENTO DE DATOS:
En este cuadro se ha obtenido el tiempo total de las alturas correspondientes
del cuadro anterior, igual la velocidad, y el coeficiente de viscosidad del
líquido.
Total de segundos VL = cm/sEl coeficiente de
viscosidad “n”
T1 = 1170 s V1 = 0,042 cm/s η1 = 493,86 gr/cm
T2 = 1212 s V2 = 0,033 cm/s η2 = 638,97 gr/cmT3 = 636 s V3 =0,047 cm/s η3 = 448,68 gr/cm
T4 = 245 sV4 = 0.081 cm/s
η4 = 260,34 gr/cm
T5 = 73 s V5 = 0,136 cm/s η5 = 155,05 gr/cm
VII. ANALISIS DE RESULTADOS:
Según la teoría de viscosidad nos dice:
Los líquidos presentan mucha mayor tendencia al flujo que los gases y,
en consecuencia, tienen coeficientes de viscosidad mucho mas altos.
Los coeficientes de viscosidad de los gases aumentan con la
temperatura, en tanto que los de la mayoría de líquidos, disminuyen.
Asimismo se ha visto que los coeficientes de viscosidad de gases a
presiones moderadas son esencialmente independientes de la presión,
pero en el caso de los líquidos el aumento en la presión produce un
incremento de viscosidad. Estas diferencias en el comportamiento de
gases y líquidos provienen de que en los líquidos el factor dominante
para determinar la viscosidad en la interacción molecular y no la
transferencia de impulso.
La mayoría de los métodos empleados para la medición de la viscosidad
de los líquidos se basa en las ecuaciones de Poiseuille o de Stokes. La
ecuación de Poiseuille para el coeficiente de viscosidad de líquidos es:
donde V es el volumen del liquido de viscosidad que fluye en el tiempo
a traves de un tubo capilar de radio r y la longitud L bajo una presión de
Pdinas por centímetro cuadrado. Se mide el tiempo de flujo de los
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líquidos, y puesto que las presiones son proporcionales a las densidades
de los líquidos, se puede escribir como:
Las cantidades t1 y t2se miden más adecuadamente con un viscosímetro
de Ostwald. Una cantidad definida de liquido se introduce en el
viscosímetro sumergido en un termostato y luego se hace pasar por
succión al bulbo B hasta que el nivel del liquido este sobre una marca a.
Se deja escurrir el liquido el tiempo necesario para que su nivel
descienda hasta una marca b y se mide con un cronometro. El
viscosímetro se limpia, luego se añade el líquido de referencia y se repite
la operación. Con este procedimiento se obtienen t1 y t2 y la viscosidad
del líquido se calcula con la ecuación anterior.
Entonces podemos decir de los resultados obtenidos:
Para la altura de 50 cm: el coeficiente de viscosidad es
η1 = 493,86 gr/cm
Para la altura de 40 cm: el coeficiente de viscosidad es
η2 = 638,97 gr/cm
Para la altura de 30 cm: el coeficiente de viscosidad es
η3 = 448,68 gr/cm
Para la altura de 20 cm: el coeficiente de viscosidad es
η4 = 260,34 gr/cm
Para la altura de 10 cm: el coeficiente de viscosidad es
η5 = 155,05 gr/cm
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VIII. CUESTIONARIO:
1. Determinar el coeficiente de viscosidad con su correspondiente error.
El coeficiente de viscosidad total es
η = 1996.9
El error:
n= n ± n
n=399.38
n= 59.12
(+) n= 458.50 (-) n=340.26
2. ¿De qué manera depende el coeficiente de viscosidad, de la
temperatura en líquidos y gases?.
La viscosidad de un líquido puro varia, en su mayor parte, acorde con la
temperatura. La presión tiene un efecto pequeño (muy inferior a el de la
temperatura) sobre la viscosidad de un gas y el efecto de presión en un
liquido es extremadamente pequeño.
El efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un líquido es
notablemente diferente del efecto sobre un gas; mientras en este ultimo
caso el coeficiente aumenta con la temperatura, las viscosidades de los
líquidos disminuyen invariablemente de manera marcada al elevarse la
temperatura. Se han propuesto numerosas ecuaciones que relacionan
viscosidad y temperatura como por ejemplo: N = AeB/RT
Donde A y B son constantes para el liquido dado; se deduce que el
diagrama de log( n)
Frente a 1/T seta una línea recta. Se pensó en otro tiempo que la
variación de la fluidez con la temperatura resultaría más fundamental que
la del coeficiente de viscosidad; pero el uso de una expresión
exponencial hace que la opción carezca de importancia.
3. ¿A qué se debe que un fluido sea mas viscoso que otro?.
La viscosidad es una de las propiedades más importantes de los fluidos, ya que ayuda a describir el comportamiento del fluido desde el punto de vista de la deformación que sufren al recibir un esfuerzo cortante, distinto a como responden los sólidos.
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η = ( δC - δF )
Como la viscosidad es la oposición de los fluidos a fluir, se ve afectada por la densidad del fluido, la temperatura, la estructura interna, y en una poca proporción por la presión.
Entre más viscoso sea un fluido, más tiempo se demorará en ir de un lugar a otro.
4. ¿Cómo se interpreta las características técnicas que se anotan en los
envases de los aceites lubricantes?.
Los aceites lubricantes se distinguen entre si según sus propiedades o
según su comportamiento en las máquinas. Debemos de conocer las
propiedades de los aceites lubricantes, para poder determinar cual
utilizaremos según la misión que deba desempeñar. Un buen aceite
lubricante, a lo largo del tiempo de su utilización, no debe formar
excesivos depósitos de carbón ni tener tendencia a la formación de
lodos ni ácidos; tampoco debe congelarse a bajas temperaturas.
Las propiedades más importantes que deben tener los aceites
lubricantes son:
COLOR. Cuando observamos un aceite lubricante a través de un
recipiente transparente el color nos puede dar idea de el grado de
pureza o de refino.
DENSIDAD: La densidad de un aceite lubricante se mide por
comparación entre los pesos de un volumen determinado de ese
aceite y el peso de igual volumen de agua destilada, cuya
densidad se acordó que sería igual a 1 (UNO), a igual
temperatura. Para los aceites lubricantes normalmente se indica la
densidad a 15ºC.
VISCOSIDAD: Es la resistencia que un fluido opone a cualquier
movimiento interno de sus moléculas, dependiendo por tanto, del
mayor o menos grado de cohesión existente entre estas.
ÍNDICE DE VISCOSIDAD: Se entiende como índice de viscosidad,
el valor que indica la variación de viscosidad del aceite con la
temperatura.
Siempre que se calienta un aceite, éste se vuelve más fluido, su
viscosidad disminuye; por el contrario, cuando el aceite se somete
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a temperaturas cada vez más bajas, éste se vuelve más espeso o
sea su viscosidad aumenta.
UNTUOSIDAD: La untuosidad es la propiedad que representa
mayor o menor adherencia de los aceites a las superficies
metálicas a lubricar y se manifiesta cuando el espesor de la
película de aceite se reduce al mínimo, sin llegar a la lubricación
límite.
PUNTO DE INFLAMACIÓN: El punto de inflamación de un aceite
lo determina la temperatura mínima a la cual los vapores
desprendidos se inflaman en presencia de una llama.
PUNTO DE COMBUSTIÓN: Si prolongamos el ensayo de
calentamiento del punto de inflamación, notaremos que el aceite
se incendia de un modo más o menos permanente, ardiendo
durante unos segundos, entonces es cuando se ha conseguido el
punto de combustión.
PUNTO DE CONGELACIÓN: Es la temperatura a partir de la cual
el aceite pierde sus características de fluido para comportarse
como una sustancia sólida.
ACIDEZ: Los diferentes productos terminados, obtenidos del
petróleo bruto pueden presentar una reacción ácida o alcalina.
En un aceite lubricante, una reacción ácida excesiva puede ser motivo
de un refinado en malas condiciones. A esta acidez se le llama
acidez mineral.
ÍNDICE DE BASICIDAD T.B.N: Es la propiedad que tiene el aceite
de neutralizar los ácidos formados por la combustión en los
motores.
El T.B.N. (total base number) indica la capacidad básica que tiene
el aceite. Si analizamos un aceite usado el T.B.N residual nos
puede indicar el tiempo (en horas) que podemos prolongar los
cambios de aceite en ese motor.
DEMULSIBILIDAD. Es la mayor o menor facilidad con que el
aceite se separa del agua, esto es, lo contrario de emulsibilidad.
5. ¿Describa brevemente el funcionamiento de un Viscosímetro?
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Los viscosímetros definen las propiedades viscosas de un fluido a
temperaturas ambiente o a distintas temperaturas según sea el equipo;
comúnmente en la forma de un tubo capilar calibrado, a través del cual
un líquido pasa a una temperatura controlada, en un tiempo específico.
Otros métodos son el viscosímetro rotacional.
CLASIFICACIÓN
Viscosímetros Capilares
Viscosímetro capilar PVS1/1 con un test
Viscosímetro capilar PVS1/1 Con test y limpiador automático
Viscosímetro capilar PVS1/1 Para viscosidades intrínsecas usando dilusiones concentradas.
Viscosímetro capilar PVS1/4
Viscosímetro capilar para gases
Viscosímetro de Cilindros Coaxiales
Viscosímetro de couette o hatshek
Viscosímetro searle
Viscosímetro Bohiin V88
Viscosímetro de Shultzel
Viscosímetro Analógico
Viscosímetro Rotacional Digital
Como se puede observar hay varias tipos de viscosímetros que
cumplen distintas funciones en diferentes campos de su aplicación,
Se utiliza con frecuencia para las medidas relativas de líquidos muy
viscosos, de suspensiones, de pinturas, de productos alimenticios,
etc.
IX . CONCLUSIONES:
Como conclusión podemos decir. Entre más viscoso sea un fluido, más
tiempo se demorará en ir de un lugar a otro.
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Como la viscosidad es la oposición de los fluidos a fluir, se ve afectada
por la densidad del fluido, la temperatura, la estructura interna, y en una
poca proporción por la presión.
La forma más sencilla de medir la viscosidad de un líquido es tomando
como referencia la viscosidad de una sustancia muy conocida, por
ejemplo el agua, así se reducen las variables y se obtiene una
expresión pequeña y más trabajable, que puede tener asociado la
medición de tiempo y densidad.
BIBLIOGRAFIA
Jorge Mendoza d.; física; editorial Gómez; pág. 489
J Gómez F.; física; editorial Gómez; pág.545
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