Formación para la Investigación Escuela de Ingeniería Civil Facultad de Ingenierías Fisicomecánicas Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro
LABORATORIO DE PRESION Y MANOMETRIA
LIZETH CAROLINA CABALLERO BECERRA (2131997) ANDREA VIVIANA VIVIANA ARIAS ARIAS CASTELLANOS CASTELLANOS (2151040 (2151040)) FABIAN CASTELLANOS PRADA (2151259)
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER MECANICA DE FLUIDOS 19 DE MAYO DE 2017
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1. RESUMEN
En el presente informe se dará a conocer los resultados obtenidos a partir de la práctica de manometría. En este documento se podrá encontrar información referente a la presión en fluidos en reposo que permitirá entender los cálculos y el análisis de datos, al finalizar se encontraran las conclusiones y observaciones realizadas a partir de los resultados.
2. INTRODUCCION
La presión es una fuerza ejercida sobre un área (fuerza normal) y es medida en unidad de fuerza por unidad de área, la presión puede ser debido a una fuerza arbitraria aplicada, el peso propio, o ejercida por un fluido sobre un cuerpo, esta fuerza puede ser aplicada sobre un punto, sobre una superficie o distribuirse sobre la misma, existe la presión absoluta, atmosférica, manométrica o de vacío; también existen diversas maneras de medir la presión, así como también distintos aparatos especializados como lo son los manómetros, en esta práctica se usaron diferentes tipos de manómetros como el manómetro en u, de sección variable, de sección uniforme e inclinable, para realizar diferentes mediciones que permitirán realizar un análisis del comportamiento de un fluido en reposo.
3. OBJETIVO GENERAL
Comprender los principios básicos de funcionamiento de los manómetros y determinar la variación de la presión de un fluido estático, demostrar que la superficie libre de un líquido es horizontal e independiente de la sección transversal del manómetro y como el cambio de la presión de aire sobre los manómetros interconectados afecta la lectura del mismo.
4. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Observar el comportamiento de la superficie del fluido en cada uno de los diferentes niveles usados en la práctica, comprender el porqué del mismo y las variables de las cuales depende Analizar por qué la lectura en el manómetro inclinado es diferente a la lectura de los otros tipos de manómetros, determinar la lectura real de éste para los diferentes ángulos y niveles de fluido, así como también la cabeza de presión; determinar qué tipo de ventajas trae usar este manómetro para la medición de la presión Calcular la presión adicional ejercida sobre el líquido al inyectar aire con la jeringa o de succión al extraerlo.
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5. MARCO TEORICO
La presión es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. La unidad de medida en el sistema internacional es el Pascal, pero de igual manera puede medirse en Torricelli, milímetros de mercurio, bar y atmósferas. [1] En las gráficas 1 y 2 se puede observar la relación de la presión con la fuerza y el área, con la primera existe una relación directa y con la segunda inversa.
Gráfica 1: Presión contra Fuerza
Gráfica 2: Presión contra Área
La presión en fluidos en reposo se puede describir mediante tres tipos atmosférica, absoluta y manométrica. La presión atmosférica es la fuerza que el aire ejerce sobre la atmósfera, en cualquiera de sus puntos. Esta fuerza no sólo existe en el planeta Tierra, sino que en otros planetas y satélites. A su vez existe la presión absoluta se mide en relación con un vacío absoluto o al 0 absoluto, esta es superior a la atmosférica y en caso de que ocurra lo contrario se considera una depresión, por último, se encuentra la presión manométrica, esta presión es la que ejerce un medio distinto al de la presión atmosférica. Representa la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica. La presión manométrica sólo se aplica cuando la presión es superior a la atmosférica. Cuando esta cantidad es negativa se la conoce bajo el nombre de presión negativa. La presión manométrica se mide con un manómetro. [2].
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En la ecuación 1 se observa la relación entre las presiones absoluta, atmosférica y manométrica.
= − (1) 6. PROCEDIMIENTO 6.1 Actividad A
Se nivela el manómetro y se conecta al banco hidráulico. Se llena el deposito hasta que alcance una profundidad de 130 [mm]. Para continuar se abren las válvulas del depósito y los manómetros y se conecta el manómetro en U. Se libera la válvula y se registran los datos que arrojan cada uno de los manómetros teniendo en cuenta que el ultimo debe ser puesto a 30° y 60°. Se repite el proceso anterior para una profundidad de 330 [mm] con excepción de la medición a 30° en el último manómetro. Se registran los datos.
6.2 Actividad B
Utilizando las condiciones anteriores se conecta una jeringa con el embolo extraído en la parte superior del depósito y se presiona. Se registran los datos que arrojan el depósito y el manómetro en U. Se realiza el proceso anterior solo que en esta oportunidad se conectara la jeringa con el embolo presionado. Se desconecta la jeringa del depósito y se conecta en el manómetro en U con el embolo extraído y se presionan. Se registran los datos. Se realiza el proceso anterior solo que en esta oportunidad se conectara la jeringa con el embolo presionado. 7.ANÁLISIS DE DATOS
7.1 Actividad A
¿Cuál es el comportamiento de la superficie del agua en cada uno de los manómetros para los diferentes niveles de depósito planteados? ¿Por qué sucede esto?
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Rta: La superficie del agua permaneció totalmente horizontal en cada uno de los manómetros sin importar si estos eran de tipo simple, en U o inclinados, esto se debe a que la superficie de un líquido que no se halla en contacto con ningún cuerpo sólido, solo puede estar en equilibrio cuando es perpendicular a la resultante de todas las fuerzas que solicitan las partículas liquidas.
Es fácil ver esta proposición porque si suponemos por un momento que esta resultante sea oblicua a la superficie, podrá descomponerse en dos fuerzas de las cuales una perpendicular a la superficie, será destruida por la impenetrabilidad, y la otra, paralela a esta superficie pondrá en movimiento las moléculas, lo cual generaría un estado de no equilibrio.
¿De qué variables depende este comportamiento? ¿Cuál es la incidencia de la sección transversal en la medición del manómetro de sección variable?
= ℎ
Rta: La presión en un fluido se puede calcular mediante la relación donde P es la presión en [Pa], es el peso específico del líquido en [N/m^3] y h la altura respecto al 0 de referencia que generalmente es el punto en el cual la presión es igual a la presión atmosférica, a través de la anterior relación podemos observar como la presión es independiente de la sección transversal o inclinación del recipiente.
¿Por qué la medida en el manómetro inclinado es diferente a las demás? ¿Cuál sería la lectura real de la presión en el manómetro? ¿Qué ventajas trae la medición con un manómetro inclinado?
Rta: Experimentalmente se tomó como lectura el valor registrado en la escala del manómetro a partir de estos valores se realizó la tabla 1 y la tabla 2 en la cual se pueden apreciar los distintos niveles que marcaban los manómetros junto con sus respectivos ángulos de inclinación.
Altura de llenado inicial: 130 [mm] Alturas [mm] 90° Depósito 119 Manómetro U 118 Manómetro 1 119 Manómetro 2 119 Manómetro sección variable 119 Manómetro inclínale 118
60° 119 118 118 118 119 150
30° 117 117 117 117 116 320
Tabla 1. valores registrados en los manómetros depósito a 130 [mm]
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Altura de llenado inicial: 330 [mm] Alturas [mm] 90° Depósito 309 Manómetro U 309 Manómetro 1 309 Manómetro 2 309 Manómetro sección variable 310 Manómetro inclínale 309
60° 309 309 309 309 309 372
Tabla 2. valores registrados en los manómetros depósito a 330 [mm]
En las tablas podemos apreciar la gran diferencia de medida entre los manómetros simples y el manómetro en U contra la medición del manómetro inclinado, esto se debe a que la presión aumenta con la altura h que está en dirección de la gravedad entonces al tener todos los manómetros expuestos a la presión atmosférica se esperaría que todas las columnas de líquido quedaran a la misma altura no obstante pese a que la columna del líquido del manómetro inclinado está a la misma altura que las columnas de los demás manómetros, este al tener la condición de estar inclinado nos está arrogando un valor de:
= () Finalmente, el ángulo inclinado del manómetro proporciona muchas ventajas. Una pequeña o baja cantidad de presión contra el manómetro inclinado producirá un gran movimiento del líquido relativo a las graduaciones del tubo. Como resultado, la escala de graduación puede ser muy precisa, hasta una centésima de pulgada. Además, el diseño simple del manómetro inclinado lo hace una herramienta barata pero precisa para medir la presión de gas.
Calcule la cabeza de presión real en el manómetro inclinado, para los diferentes ángulos y niveles planteados.
Rta: empezaremos con una altura de 130 [mm] en el depósito.
Altura de llenado inicial: 130 [mm] Altura [mm] 90° 60° Manómetro inclinable 118 150
30° 320
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Para una inclinación de 90 ° la presión en el manómetro se puede calcular simplemente con la expresión:
118 =1157.58 = ∗ ℎ =9810∗ 1000 Para una inclinación de 60 ° debemos calcular la altura h a través de:
ℎ=∗sin(60°) m = 129.9 mm donde h es la altura perpendicular a la superficie horizontal, finalmente la presión P seria:
= ∗ ℎ =9810∗ 129.9 1000 =1274.32 Repetimos el procedimiento anterior para la inclinación de 30 °:
ℎ=277.13 = ∗ ℎ =9810∗ 129.9 1000 =2718.65 Altura de llenado inicial: 330 [mm] Altura [mm] 90° 60° Manómetro inclinable 309 372
Para una inclinación de 90 ° con un depósito de 330 [mm] la presión en el manómetro se puede calcular simplemente con la expresión:
309 =3031.29 = ∗ ℎ =9810∗ 1000 Para una inclinación de 60 ° debemos calcular la altura h a través de:
ℎ=∗sin(60°) m =322.16 mm donde h es la altura perpendicular a la superficie horizontal, finalmente la presión P seria:
= ∗ ℎ =9810∗ 322.16 1000 =3160.39 7.2 Actividad B
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Para cada configuración calcule la presión del aire (kN/m2) sobre el líquido que genera la diferencia de presión. Comente sobre el efecto de los cambios en la presión del aire sobre el manómetro de U.
Rta: Depósito
Presión [mm]
Succión [mm]
402-304
314-225
Presión: procedemos a calcular la diferencia de altura:
∆ℎ=ℎ − ℎ = 402 − 304 = 98 La presión generada por la jeringa será:
98 =0.961[] = ∗∆ℎ [ = 9.81 ∗ ] 1000 Succión: procedemos a calcular la diferencia de altura:
∆ℎ=ℎ − ℎ = 225− 314 = −89 La presión generada por la jeringa será:
−89 =−0.873[] = ∗∆ℎ [ = 9.81 ∗ ] 1000 Manómetro en U Presión [mm] Succión [mm]
311-73
402-308
Presión: procedemos a calcular la diferencia de altura:
∆ℎ=ℎ − ℎ = 311 − 73 = 238 La presión generada por la jeringa será:
238 =2.33[] = ∗∆ℎ [ = 9.81 ∗ ] 1000 Succión: procedemos a calcular la diferencia de altura:
∆ℎ=ℎ − ℎ = 308− 402 = −94
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La presión generada por la jeringa será:
−94 =−0.922[] = ∗∆ℎ [ ] = 9.81 ∗ 1000 Los cambios en la presión del manómetro en U fueron relativamente grandes pues con la más ligera presión en generada en la jeringa el manómetro en U marcaba valores muy elevados tanto que si se empujaba el embolo de la jeringa más de 1 [cm] el agua se derramaba.
¿Por qué la fórmula de presión hidrostática solo se cumple para los fluidos líquidos?
=∗ℎ
Rta: Al usar la relación se esta asumiendo que el peso específico del fluido es constante, sin embargo, fluidos como los gases poseen una característica particular, su peso específico puede variar con la elevación así que no es posible usar la relación anteriormente descrita. 8. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
La superficie libre (Presión atmosférica) de un líquido es horizontal e independiente de la sección transversal o inclinación del recipiente. La presión en un líquido varía de manera lineal en función de la altura acorde con la relación . La presión en un fluido es constante en un plano horizontal y hay una variación vertical de la presión.
= ℎ
9. BIBLIOGRAFÍA
[1] Presión Available; https://www.ecured.cu/Presi%C3%B3n [citado 17 de mayo de 2017]. [2] Tipos de presión Available, http://www.tiposde.org/ciencias-naturales/357-tiposde-presion/ [citado 17 de mayo de 2017].