Manual y Practica 1.pdf

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALFRANCISCO DE MIRANDA

AREA DE TECNOLOGIAPROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL

DEPARTAMENTO DE HIDRAULICALABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS

Guía Práctica para Desarrollar Actividadesde Laboratorio en la Unidad Curricular Mecánica

de Fluidos

Profesor:Luís Alejandro Sánchez R.

Santa Ana de Coro, Agosto 2006



INTRODUCCION

La rama de la mecánica aplicada, que estudia el comportamiento de los

fluidos, ya sea en reposo o en movimiento, constituye la Mecánica de Fluidos y la

Hidráulica.

Dicho estudio requiere de un apoyo práctico que permita comprobar,

comparar y visualizar los fenómenos hidráulicos, con el objeto de comprender la

naturaleza de los mismos y a su vez involucrarse con el manejo de los instrumentos y

equipos necesarios para el desarrollo de las actividades experimentales concernientes

a la Mecánica de Fluidos y la Hidráulica.

OBJETIVOS

Servir de material instructivo en lo referente a los trabajos del Laboratorio de

Hidráulica.

Conocer el manejo de los instrumentos y equipos disponibles en el laboratorio

para estudiar el comportamiento del agua y aplicar las expresiones

matemáticas correspondientes.Desarrollar cualidades investigativas y descriptivas en los alumnos, logrando que

incursionen en el área hidráulica, mediante la aplicación de este tipo de

experiencia práctica.



NORMATIVA

Las prácticas son de carácter obligatorio.

Los Quiz ó Pre - Laboratorio no son recuperables.

Solo serán incluidos en el informe de laboratorio, quienes hayan asistido a la

practica y hayan desarrollado todas y cada unas de la experiencias

correspondientes.

La perdida de dos prácticas aplaza el laboratorio.

El desarrollo de las actividades prácticas, debe llevarse a cabo de manera

ordenada y de acuerdo con las instrucciones impartidas por el profesor al inicio

de las mismas.

TECNICAS DE EXPERIMENTACION

En el campo de la hidráulica es muy común establecer relaciones

experimentales, con el fin de complementar un desarrollo teórico, es así como resulta

pertinente citar algunas experiencias prácticas dentro de las cuales enmarcaremos las

nuestras:

a) Confirmar la relación obtenida de un correcto análisis matemático.

b) Evaluar los coeficientes obtenidos de un análisis teórico.

c) Observación de los fenómenos hidráulicos típicos.

ORIENTACIONES SOBRE LAS PRÁCTICAS

a) Leer detalladamente la guía de laboratorio, y realizar las consultas

bibliográficas respectivas, correspondientes a la práctica a ser desarrollada.

b) Conocer las precauciones a seguir al momento de realizar el experimento.

c) Disponer de todos los instrumentos necesarios para la medición de las variables o

datos.

d) Obtener una cantidad de datos lo suficientemente representativos que

permitan desarrollar los experimentos con la mayor exactitud posible.

e) Presentar dos ejemplos de cálculos y resultados en una forma clara y precisa.

f) Analizar e interpretar los resultados para obtener buenas conclusiones.



BIBLIOGRAFÍA

Cualquier texto de Mecánica de Fluidos e Hidráulica.

SINOPSIS DEL CONTENIDO

1) Instrumentos y equipos de laboratorio.

2) Visualización de Flujo Laminar y Flujo Turbulento.

3) Medición de presión y caudal. Calibración, Venturímetro y Placa Orificio

4) Pérdidas por fricción en tuberías y debidas a la existencia de accesorios.

5) Funcionamiento de Bombas Centrifugas.

6) Flujo en Canales Abiertos: Flujo Uniforme, Vertederos y Resalto Hidráulico.

EVALUACIÓN

Tal como lo establece el Reglamento de Evaluación en su Capítulo V, de la

evaluación de las Unidades Curriculares Teórico-Prácticas, la nota del componente

práctico equivale al 25 % de la nota definitiva ó del lapso.

Pre-Laboratorio: Es una evaluación individual y se debe presentar antes

de iniciar cada práctica. Tiene un valor de 5 puntos.

Informe de Laboratorio: El informe correspondiente a cada práctica,

debe ser redactado con un criterio científico de manera clara y concreta,

resaltando los aspectos más importantes de la actividad realizada durante

la práctica, enfocando el análisis y las conclusiones, de acuerdo con los

objetivos planteados al inicio de la práctica. (Los equipos de trabajo no

serán mayor de 5 alumnos).

ESTRUCTURA DEL INFORME

a) Título del Informe: Especifica el tema del informe.

b) Introducción: Descripción breve y sencilla del contenido del informe de

manera que permitan la mejor compresión del mismo. (Objetivos,

justificación, breve descripción de la metodología empleada y breve



exposición de las dificultades y limitaciones presentadas al desarrollar el

trabajo, si las hubiese).

c) Descripción del Aparato: Descripción del equipo a ser utilizado para el

desarrollo de la práctica, sus características principales, funcionamiento y

precauciones que se deben tener en cuenta.

d) Marco Teórico: Recopilación del material bibliográfico requerido para

desarrollar el trabajo. Conceptos básicos referentes al contenido de la

práctica.

e) Procedimiento a seguir: Procedimiento experimental aplicado para

desarrollar la práctica. Debe ser redactado de manera clara y lógica.

f) Variables que deben medirse, con sus respectivas unidades.

g) Cálculos y Resultados:

g.1) Valores medidos: Serán presentados en forma tabulada antes

del cálculo típico.

g.2) Cálculo Típico: Debe especificarse el procedimiento de cálculo,

ya sea éste, gráfico ó a través de un desarrollo matemático realizado con las

cantidades medidas. Si el procedimiento es repetitivo, basta con representar el

cálculo una sola vez.

g.3) Resultados: Después del cálculo típico serán tabulados.

h) Análisis: Etapa en la cual se hará un desglose de los resultados; se

describirán sus variaciones y se efectuarán las comparaciones entre el modelo y

los sistemas en una forma simple y directa, manteniendo los resultados reales

pese a las posibles fuentes causantes de error que se puedan presentar.

i) Conclusiones: Se presentan en forma resumida, los resultados del análisis

efectuado, derivado del planteamiento inicial en función de los objetivos

establecidos.Los aspectos a considerar son los siguientes:

i.1) Breve replanteo del tema investigado.

i.2) Breve descripción de la metodología empleada para la obtención

de los resultados.

i.3) Síntesis de las diversas partes del cuerpo del trabajo que

condujeron a la solución de las interrogantes planteadas, las soluciones

obtenidas con los experimentos y los resultados más relevantes.i.4) Planteamiento de los alcances y limitaciones del estudio realizado.



j) Presentación del Informe: El informe se debe presentar a computadora,

en hoja tamaño carta. Los gráficos deben ser nítidos; los puntos experimentales

deben ser expresamente distinguidos y diferenciados; las escalas deben indicar

las cantidades representadas con sus dimensiones.

EQUIPOS DISPONIBLES EN EL LABORATORIO

a) Kit para el estudio del Teorema de Bernoulli y sus implicaciones.

b) Aparato de Osborne – Reynolds, para la visualización de la diferencia

entre flujo laminar y turbulento, Modelo H651.

c) Grupo para el estudio de las pérdidas de carga en tuberías, curvas y codos,

válvulas y sobre los instrumentos para las medidas de flujo, Modelo

H38D/E.

d) Grupo para la prueba de Bombas Centrifugas en serie ó paralelo, Modelo

H23.8DSU.

e) Canal Abierto de inclinación variable con paredes transparentes.

Elaborado por:

Prof. Luís Alejandro Sánchez R.



UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

FRANCISCO DE MIRANDAAREA DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE INGENIERIA CIVILDEPARTAMENTO DE HIDRAULICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS

Instrumentos y Equipos de laboratorio(Introducción y propiedades. (Teoría de errores)

Profesor:

Luís Alejandro Sánchez R.

Agosto, 2006



Experimento:

Instrumentos y Equipos de Laboratorio.

Objetivos:

Establecer los conceptos fundamentales acerca de la actividad del

laboratorio.

Identificar los equipos de ensayo y medidores de flujo disponibles en el

laboratorio.

Operar los equipos de ensayo y sus correspondientes medidores, de

acuerdo a los procedimientos adecuados.

Identificar los aspectos básicos para el análisis de datos experimentales. (

Teoría de errores)

Equipos de Laboratorio:

a) Kit para el estudio del Teorema de Bernoulli.

b) Aparato de Osborne-Reynolds, Modelo H65D.

c)

Grupo para el estudio de flujo en tuberías, Modelo H38D/E. ( Banco detuberías)

Figura 1.1 Aparato de Reynolds. (PRACTICA #3)



d) Grupo para la prueba de bombas, Modelo H23.8DSU.

e) Canal Abierto de inclinación variable.

Figura 1.2 Banco de tuberías (PRACTICA #2 , #4)

Figura 1.3. Grupo de Bombas (PRÁCTICA #5)

Figura 1.4. Canal de pendiente variable



Investigar:

a) Definición de fluido.

b) Dimensiones y unidades fundamentales.

c) Diagrama Reológico, fluidos Newtonianos y fluidos no Newtonianos.

d) Propiedades de los fluidos: Viscosidad absoluta, viscosidad cinemática,

presión de vapor, modulo de elasticidad volumétrico, tensión superficial.

e) Isotropía de la presión.

f) Principio de Pascal. Ejemplos de aplicación.

g) Unidades y escalas para la medición de la Presión

h) Teoría de errores Concepto. ¿Que son errores experimentales?

i) ¿Cómo se clasifican los errores experimentales? Defina cada uno

j) ¿Cuales son las curvas de aproximación más usadas en la experimentaciónhidráulica, para relacionar las variables?

k) ¿Cuáles son los métodos para el ajuste de los datos experimentales?

l) ¿En qué consiste el proceso de “Regresión” a la hora de la interpretación de

los resultados experimentales?

Nociones Básicas

TEORÍA DE ERRORES

Cuando se somete un fenómeno físico a un proceso de observación, se

obtiene de él información que siempre debe ser procesada, atendiendo

las consideraciones de la Teoría de Errores. Esta consiste en aproximar

los modelos obtenidos experimentalmente a los modelos reales,

disminuyendo el grado de incertidumbre en el observador cuando los

datos obtenidos están, de alguna manera, dispersos.

a.) Errores experimentales

En un trabajo experimental, las observaciones efectuadas no son

absolutamente exactas debido a la incidencia de diferentes tipos de

errores que se presentan. Los errores pueden clasificarse en dos: los

errores sistemáticos y los errores fortuitos o casuales.

a.1) Errores sistemáticos

Tienen el mismo signo siempre y pueden deberse a las siguientes causas:

instrumentales, personales y externas.



a.1.1) Errores sistemáticos instrumentales: se deben a

defectos o imprecisión del aparato utilizado. Para evitar este tipo de

error, los instrumentos se deben patronar cuidadosamente.

a.1.2) Errores sistemáticos personales: tienen como base la

apreciación del observador. Se evitan estos errores realizándose

cuidadosamente las lecturas, en forma repetida y por varios

observadores.

a.1.3) Errores sistemáticos externos o errores naturales:

se deben a causas externas tales como vientos, temperatura, humedad,

vibraciones, etc. El observador no tiene control sobre ellos por lo cual no

pueden eliminarse pero se deben aplicar las correcciones necesarias.

a.2) Errores fortuitos o casuales

Son resultados de las probabilidades y su efecto se reduce haciendo un

gran número de observaciones.

b.) Relaciones entre variables

En las experimentaciones hidráulicas se tienen variables cuyos valores

son dependientes entre sí y que están relacionadas mediante una

ecuación matemática tal que Y = ¦ (X ). Así por ejemplo, el caudal Q

que pasa por un vertedero depende de la carga hidráulica H queactúa sobre su cresta.

Los diferentes pares ordenados (Xi y Yi ), encontrados experimentalmente,

conformarán un “diagrama de dispersión”, el cual responde a un patrón de forma

que puede ser correlacionado mediante modelos lineales, exponenciales, logarítmicos,

o potenciales. Al elegir la correlación conveniente, una de las variables quedara en

función de la(s) otra(s), mediante una ecuación cuyas constantes deben determinarse.

La curva que mejor represente los pares ordenados se llama curva de aproximación.

Las curvas de aproximación más usuales son:

Polinómica: Línea recta, Cuadrática (parábola), Cúbica, Grado n.

Logarítmica: Y = a ln X + b

Exponencial: Y = ab x

Potencial: Y = aX b



Figura 1.5 Curvas típicas de aproximación o patronamiento.

Para decidir cual ecuación desarrollar en curvas no polinómica, es útil obtener

diagramas de dispersión de variables transformadas. Por ejemplo, si un diagrama

de dispersión en escalas “X vs log Y ” muestra una relación lineal entonces habrá que

desarrollar una ecuación exponencial, mientras que si graficando los pares “log X vs

log Y ” obtenemos una recta, entonces habrá que desarrollar una ecuación

potencial.

c) Ajuste de Datos Experimentales

En cada una de las prácticas de laboratorio de hidráulica se obtendrán

conjuntos de variables que presentan algún tipo de relación. Con el

diagrama de dispersión y la mejor curva de ajuste definidos se procedea hallar la ecuación de esta última mediante un desarrollo

matemático.

c.1) Método Gráfico

Consiste en construir un gráfico cartesiano, donde se presente la

dispersión entre las variables y dibujar la línea de mejor ajuste. En caso

de ser lineal, los parámetros a y b se leen directamente del gráfico.



c.2) Promedio Aritmético

Para determinar el valor que tiene la mayor probabilidad de ser el

correcto, se utilizan métodos estadísticos, siendo el más común el de la

media aritmética o promedio aritmético, que expresa que el valor más

representativo está dado por la suma de todos los valores de las

observaciones dividida por el número de éstas. Este procedimiento

presenta como ventajas que es el más usado, de fácil cómputo y que

para el cálculo sólo son necesarios los valores totales y el número de

datos. Se representa matemáticamente así:

M = media aritmética

n = número de datos

Xi = valores de las observaciones

c.3) Método de Mínimos Cuadrados

Se han desarrollado métodos basados en teorías estadísticas para

buscar la ecuación de la curva que mejor se ajuste al conjunto de

datos, que siendo única, evita el juicio individual.

Como procedimiento para hallar la ecuación de la curva de ajuste se

puede utilizar el método de mínimos cuadrados cuyo criterio es definir

una curva cuyas desviaciones al cuadrado respecto a los datos reales

son mínimos (definido para cualquier curva: recta, parábola, etc.).

Para aplicar estos métodos es indispensable conocer de antemano la

clase de correlación entre las variables. Entre los métodos estadísticos,uno de los más conocidos es el de los mínimos cuadrados.



En la mayoría de las prácticas se evalúan parámetros cuyas relaciones son no

lineales pero en todos los casos la forma de abordar estas curvas es haciendo uso de la

transformación de variables, por ejemplo:

Aplicando logaritmos a ambos lados de la ecuación anterior y utilizando laspropiedades de los logaritmos se tiene:



Entonces Y = a + bX función lineal, las constantes a y b se hallan haciendo uso de las

ecuaciones anteriores y K = anitlog (a)

d) Interpretación de Resultados

Una vez obtenida la ecuación de la curva que mejor se ajusta a los

datos, proceso llamado patronamiento, se puede utilizarla para

calcular la variable dependiente haciendo solo uso de la determinación

de la variable independiente, esto es lo que la estadística llama

regresión.

Una vez se realiza el ajuste de datos es necesario conocer que tan adecuado es

dicho ajuste; esto se hace calculando el coeficiente de correlación, que sería un

indicador de que, efectivamente, los datos guardan una proporción lineal. Valores

cercanos a uno (1) indican una relación lineal adecuada, valores cercanos a cero (0)

indican que los datos no se distribuyen según un comportamiento lineal. El coeficiente

de correlación se estima con la ecuación que sigue:

Procedimiento General:

Se proporcionará una explicación de la metodología de trabajo en el

laboratorio de acuerdo a los puntos presentados al principio de este manual. En esta

primera práctica se expondrán las pautas generales acerca de la Teoría básica de

Errores con la finalidad de orientar a los estudiantes en las actividades de laboratorio



que siguen, en lo que respecta a los conceptos fundamentales de los parámetros

estadísticos más empleados.

Luego se reconocerá el laboratorio, explicando la configuración y procedimiento

de operación de cada equipo, así como también, los cuidados que se deben tener con

cada uno de ellos. La única actividad práctica será conocer el proceso de calibración

del manómetro diferencial de mercurio para ello debe seguirse el siguiente

procedimiento paso a paso:

La calibración del manómetro diferencial consiste en nivelar horizontalmente

el menisco izquierdo y el menisco derecho de este instrumento.

Dependiendo de cómo se encuentre los meniscos inicialmente se deben abrirlas válvulas superiores que controlan la presión dentro del manómetro. Si se

quiere que el nivel de mercurio ascienda en uno de los lados, la válvula

respectiva de ese lado debe abrirse progresivamente hasta que los meniscos se

nivelen.

En el caso en que se abra completamente una de las válvulas y el menisco deje de

ascender, entonces debe inducirse presión a uno de los extremos del manómetro. Esto

se logra, encajando el extremo al que se requiera bajar el nivel de mercurio, dentro

de las tomas de presión que se encuentra distribuidas por diversos puntos del banco

de tuberías.

Figura 1.6. Manipulación de las válvulas.



Informe a Presentar:

Este informe se incluirá dentro del informe de la práctica #2, y los aspectos que

debe contener serán especificados por el Profesor de Laboratorio al finalizar la

práctica.

Elaborado por:

Prof. Luis Alejandro Sánchez R.

Extremos del manómetro

diferencial de Mercurio

Figura 1.7 Extremos del manómetro y tomas de presión

Tomas de Pasión del

Banco de tuberías.

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