UNIVERSIDAD RICARDO PALMA

Facultad de Ingeniería

Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil

Curso: MECÁNICA DE FLUIDOS

Tema: VISCOSIDAD

Profesor: ING. RUBÉN ESAÚ MOGROVEJO GUTIERREZ

Alumno: RUIZ MOTTA RENZO

Grupo: 02

Subgrupo: 04

2015

1

INDICE

INTRODUCCIÓN 3

HIPÓTESIS 4

OBJETIVOS 4

MARCO TEÓRICO 4

EQUIPO UTILIZADO 5

PROCEDIMIENTO 6

CÁLCULOS 8

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 12

APLICACIÓN A LA INGENIERIA CIVIL 13

2

INTRODUCCIÓN

La viscosidad es la propiedad más importante de los fluidos, y por tanto esta requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. Esta es la resistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un mínimo de esfuerzo cortante. La viscosidad de un fluido depende de su temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario. Existen diferentes formas de expresar la viscosidad de un fluido, pero las más importantes son las siguientes: viscosidad absoluta o dinámica, y cinemática.

El poder estudiar la viscosidad de una sustancia nos ayuda a concluir cuanto varia con respecto a la temperatura, si es más viscoso o menos viscoso, etc.

Los propósitos de este experimento son, el determinar la viscosidad y su relación con la temperatura. Para la determinación de la viscosidad utilizaremos unas esferas solidas que se dejarán caer en una probeta llena de aceite. Se hallará la velocidad para diferentes temperaturas de este fluido, y con las Ecuaciones de Stokes y la relación semiempírica del coeficiente de arrastre, se obtendrá la viscosidad cinemática y absoluta.

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VISCOSIDAD

HIPÓTESIS

La viscosidad de un fluido (aceite), será inversamente proporcional a la temperatura; a mayor temperatura, menor viscosidad.

OBJETIVOS

- Establecer experimentalmente, la relación de la viscosidad de un fluido newtoniano (aceite) con la temperatura.

- Analizar como varia la viscosidad del fluido al aumentarla de la temperatura ambiente.

- Comprobar la información teórica con los resultados experimentales.

MARCO TEÓRICO

Los gases y los líquidos tienen una propiedad conocida como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia a 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.Para un flujo bien ordenado (laminar) en el que las partículas de fluido se mueven en línea rectas y paralelas (flujo paralelo), la ley establece que para ciertos fluidos conocidos como “fluidos newtonianos”, el esfuerzo cortante sobre una interfaz tangente a la dirección de flujo es proporcional a la tasa de cambio de velocidad con respecto a la distancia, donde la diferenciación se toma en una dirección normal a la interfaz.La viscosidad no depende en gran medida de la presión, sin embargo se puede observar que la viscosidad de un líquido disminuye con un aumento en la temperatura, mientras que en un gas ocurre lo contrario. En un líquido, las moléculas tienen una movilidad limitada con fuerzas cohesivas grandes presentes entre moléculas. Un aumento en la temperatura disminuye la cohesión entre las moléculas y existe un decrecimiento en la pegajosidad del fluido, es decir, desciende la viscosidad. En un gas, las moléculas tienen una gran movilidad y generalmente están apartadas, existe poca cohesión entre ellas, a medida que aumenta la temperatura se producirá una mayor pegajosidad y con ello mayor viscosidad.(Fuente:

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EQUIPO UTILIZADO

- Balanza Electrónica.

- Matraz.

- Cronómetro.

- Esferitas sólidas.

- Termómetro Digital.

- Probeta.

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PROCEDIMIENTO

Usando una probeta, se establece el inicio y final del recorrido de las esferas en la probeta, para poder hallar la velocidad.

Distancia de recorrido

L = 15 cm

15 cm

Se procede a llenar la probeta con aceite, a una temperatura determinada, hasta el nivel marcado anteriormente.

Se pesan las pequeñas esferas que caerán en el fluido, al igual que se mide el diámetro, para obtener la densidad de la esfera. (M/V)

6

Las esferas se dejaran caer en la probeta con aceite para medir el tiempo en que recorran los 15 centímetros marcados en la misma. Con este dato obtenemos la velocidad de caída (D/T).

Este procedimiento se repetirá por 5 veces para diferentes temperaturas de aceite, y poder

visualizar como varia la viscosidad.

7

CALCULOS

Para la esfera utilizada

Partícula Diámetro Peso W

Esfera 7,7 mm 0,26 gr

Datos obtenidos en el experimento:

Tabla 2 Datos obtenidos

Prueba N°Grupo de

Partículas N°Temperatura

Media °C Tiempo t(s)

1

1

22.8

6.772 5.39

3 6.57

2

1

34

2.57

2 3.76

3 2.96

3

1

40

3.61

2 3.36

3 3.96

4

150

2.29

2 2.68

3 2.25

5

1

60

1.56

2 1.86

3 1.78

Se calcula la velocidad de cada partícula con la ecuación:

V=d / t

Siendo la distancia d=¿ L = 15cm

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Se realiza el cálculo de la viscosidad teniendo en cuenta las siguientes ecuaciones:

CD=43D ⌊

(ρs−ρ )ρ

⌋ gV 2

……….. (1)

CD=24Re

+ 3

Re12

+0.34 ….......... (2)

ℜ=VDv

……………… (3)

μ= ρv ……………… (4)

Donde ρ s = Densidad del solido ℜ = Reynolds

ρ = Densidad del líquido D = Diámetro

V = Velocidad v = Viscosidad cinemática

CD= Coeficiente de arrastre μ = Viscosidad dinámica o absoluta

Se calcula el Coeficiente de arrastre con la ecuación (1) para todos los casos, teniéndose los siguientes datos:

ρ s = mvol

D= 7.7 mm = 0.77 cm

Volsólido= 16π D3 ρa = 0.92

grcc

Volsólido= 0.24 cm3

ρ s=0.260.24

=1.08 grcc

CD=43(0.77) ⌊

(1.08−0.92 )0.92

⌋ 981V 2

9

CD1= 29.66CD 2

= 7.12CD3= 10.22CD 4

= 4.46CD5= 2.31

Luego con la ecuación (2) se obtienen los Reynolds de las partículas ℜ para cada caso:

CD=24Re

+ 3

Re12

+0.34

Cambiando la variable Re12 = a se tiene:

(C ¿¿D−0.34 )a2−3a−24=0¿

Reemplazando valores, se obtiene para cada caso:

Re1 = 0.92Re2 = 4.48Re3 = 2.95Re4 = 7.89Re5 = 18.78

En la ecuación (3) se reemplaza la velocidad media y los Reynols de partículas para hallar viscosidad cinemática en cada caso:

ℜ=VDv

v=VDℜ

v1= 2.03 cm

s2

v2= 0.85cm

s2

v3= 1.08 cm

s2

10

v4= 0.62 cm

s2

v5= 0.36 cm

s2

Teniendo la viscosidad cinemática en cada caso, con la ecuación (5) obtenemos la viscosidad absoluta o dinámica en cada prueba:

μ= ρvμ1=¿ 1.87μ2=¿ 0.78μ3=¿ 0.99μ4=¿ 0.57μ5=¿ 0.33

Tabla 3 Cálculos y resultados

DatoV

cm/sV media

cm/s v μ=vρ R=VDϑ CD Temperatura

1

2.22

2.43 2.03 1.87 0.92 29.66

22.82.78

2.28

2

5.84

4.96 0.85 0.78 4.48 7.11 343.98

5.07

3

4.16

4.14 1.08 0.99 2.95 10.22

404.46

3.79

46.55

6.27 0.62 0.57 7.89 4.45 505.66.67

59.62

8.7 0.36 0.33 18.78 2.31 608.068.43

GRÁFICOS

11

22.8 34 40 50 600

0.5

1

1.5

2

2.5

Temperatura vs Viscosidad cinemática

Series1

Temperatura °C

Visc

osid

ad C

inem

atica

(cm

2/s)

22.8 34 40 50 600

0.20.40.60.8

11.21.41.61.8

2

Temperatura vs Viscosidad absoluta 𝝁

Series1

Temperatura °C

Visc

osid

ad A

bsol

uta

(Ns/

m2)

CONCLUSIONES

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- Se deduce que al elevar la temperatura del fluido, la velocidad de caída del solido aumenta, lo que evidencia la disminución de friccion del liquido a la esfera.

- Al observar el grafico Viscosidad vs temperatura, se aprecia que la temperatura es inversamente proporcional a la viscosidad del fluido newtoniano, en este caso el aceite.

- Conforme a los objetivos planteados al iniciar el experimento, se puede concluir con la práctica experimental la veracidad de la teoría expuesta en el marco teórico.

- La medición los tiempos de caída de la esfera para cada caso, y con ello calcular la velocidad promedio para cada temperatura, esta sometido a errores propios en la obtención de esto datos, como es la baja precisión que se tiene al usar el cronometro, o la poca precisión en la medición de temperaturas con el termómetro de mercurio, lo que ha podido alterar los resultados, como se aprecia en la gráfica en la tercera prueba.

RECOMENDACIONES

- Es de gran importancia la toma correcta de las mediciones ya que diferentes, aspectos podrían modificar los resultados que se obtienen.

- Para una mayor precisión en las mediciones según el experimento a realizar, es recomendable renovar algunos materiales gastados.

APLICACIÓN A LA INGENIERIA CIVIL

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VISCOSIDAD EN EL CEMENTO ASFALTICO

El asfalto se presta particularmente bien para la construcción por varias razones:

- Proporciona una buena unión y cohesión entre agregados, incrementando por ello la resistencia con la adición de espesores relativamente pequeños.

- Capaz de resistir la acción mecánica de disgregación producida por las cargas de los vehículos.

- Impermeabiliza la estructura del pavimento, haciéndolo poco sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de las precipitaciones.

- Proporciona una estructura de pavimento con características flexibles.

En la mayoría de los casos, al asfalto utilizado para pavimentar las calles, es el residuo de las refinerías después de haber destilado del petróleo crudo una gran cantidad de otros productos.

Las características del asfalto, especialmente su consistencia, afectan los resultados de las pruebas de estabilidad. La viscosidad del asfalto entra en juego

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cuando la aplicación de la carga es muy rápida. En la prueba Marshall, el grado del asfalto, tiene un gran efecto en la estabilidad pero muy poco en el índice de flujo.

La relación viscosidad-temperatura del cemento asfáltico que va a ser usado debe ser ya conocida para establecer las temperaturas de mezclado y compactación en el laboratorio. En consecuencia, los procedimientos preliminares se enfocan hacia el agregado, con el propósito de identificar exactamente sus características. Estos procedimientos incluyen secar el agregado, determinar su peso específico, y efectuar un análisis granulométrico por lavado.

Máquina de ensayo Marshall, con dispositivo eléctrico, diseñada para aplicar las cargas a las muestras por medio de pesas de ensayo semicirculares, está equipada con un calibrador provisto de anillo para determinar la carga de ensayo, de un marco de carga para el ensayo de estabilidad y un medidor de flujo, para establecer la deformación bajo la carga máxima de ensayo.

El valor de estabilidad representa la resistencia estructural de la mezcla compactada y está afectada principalmente por el contenido de asfalto, la composición granulométrica y el tipo de agregado. El valor de estabilidad es un índice de la calidad del agregado.

La mezcla debe tener la fluidez necesaria para que pueda compactarse a la densidad exigida y producir una textura superficial adecuada. El valor del Flujo

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representa la deformación producida en el sentido del diámetro del espécimen antes de que se produzca su fractura. Este valor es un indicador de la tendencia para alcanzar una condición plástica y consecuentemente de la resistencia que ofrecerá la carpeta asfáltica a deformarse bajo la acción de las cargas que por ella transiten.La estabilidad de una mezcla depende de la fricción y la cohesión interna. La fricción interna en las partículas de agregado (fricción entre partículas) está relacionada con características del agregado tales como forma y textura superficial. La cohesión resulta de la capacidad ligante del asfalto. Un grado propio de fricción y cohesión interna, en la mezcla, previene que las partículas de agregado se desplacen unas respecto a otras debido a las fuerzas ejercidas por el tráfico. En términos generales, entre más angular sea la forma de las partículas de agregado y más áspera sea su textura superficial, más alta será la estabilidad de la mezcla. Cuando no hay agregados disponibles con características de alta fricción interna, se pueden usar mezclar más económicas, en lugares donde se espere tráfico liviano, utilizando agregados con valores menores de fricción interna. La fuerza ligante de la cohesión aumenta con aumentos en la frecuencia de carga (tráfico). La cohesión también aumenta a medida que la viscosidad del asfalto aumenta, o a medida que la temperatura del pavimento disminuye.

Causas y Efectos de la Inestabilidad en el pavimento

Aunque el asfalto no es la principal causa de los problemas de trabajabilidad, si tienen algún efecto sobre esta propiedad. Debido a que la temperatura de la mezcla afecta la viscosidad el asfalto, una temperatura demasiado baja hará que la mezcla sea poco trabajable, mientras que una temperatura demasiado alta podrá hacer que la mezcla se vuelva tierna. El grado y el porcentaje de asfalto también pueden afectar la trabajabilidad de la mezcla.

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Resistencia a la fatiga

La resistencia a la fatiga de un pavimento es la resistencia a la flexión repetida bajo las cargas de tránsito. Se ha demostrado, por medio de la investigación, que los vacíos (relacionados con el contenido de asfalto) y la viscosidad del asfalto tienen un efecto considerable sobre la resistencia a la fatiga. A medida que el porcentaje de vacíos en un pavimento aumenta, ya sea por diseño o por falta de compactación, la resistencia a la fatiga del pavimento. (El periodo de tiempo durante el cual un pavimento en servicio es adecuadamente resistente a la fatiga) disminuye. Así mismo, un pavimento que contiene asfalto que se ha envejecido y endurecido considerablemente tiene menor resistencia a la fatiga.

Fuente http://www.biblioteca.udep.edu.pe/

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