GUÍA DE EXPERIENCIAS MECÁNICA DE FLUÍDOS

Transcripción

1 GUÍA DE EXPERIENCIAS MECÁNICA DE FLUÍDOS

2 1. DENSIDAD Materiales: Cilindro de Arquímedes Dinamómetro La densidad de un cuerpo se define como la cantidad de materia por unidad de volumen, sus unidades son masa/volumen. Vamos a calcular la densidad de un cuerpo cilíndrico, para eso tomamos el cuerpo interior del cilindro de Arquímedes, medimos su diámetro y su altura, en centímetros y usamos la formula: V = π * D 2 *H / 4 Donde D es el diámetro y H la altura, luego colgamos este cuerpo del dinamómetro, usando la armella y medimos su peso en gramos, y calculamos la densidad como: Densidad = Masa (dinamómetro) / Volumen (fórmula) Puedes comparar este resultado con el reportado en la literatura (ver anexo 1) Si encuentras otras materiales en el laboratorio a los cuales le puedas medir el volumen y calcular la densidad, puedes corroborar más resultados.

3 2. PRINCIPIO DE ARQUIMEDES Materiales: Base y varilla roscada Dinamómetro Cilindro de Arquímedes Nuez con gancho. PROCEDIMIENTO: Tomamos el cilindro de Arquímedes y lo separamos en sus dos componentes, ya conocemos el peso del cuerpo interior (experimento 1) ahora colgamos este mismo cuerpo del dinamómetro pero lo sumergimos en agua, así que la lectura del dinamómetro va a ser menor, calculamos la fuerza de empuje como: F empuje: Peso cilindro al aire Peso cilindro sumergido en el agua. Ahora tomamos el cuerpo exterior (al que llamaremos recipiente) y lo colgamos con ayuda de gancho al dinamómetro, y tomamos su peso, luego lo llenamos de agua y nuevamente tomamos su peso, finalmente calculamos el peso de agua que puede contener el recipiente así: Peso agua: peso recipiente con agua peso recipiente solo Comparamos este peso del agua con la Fuerza de empuje y que se puede concluir?

4 3. FLOTACION Materiales: Vaso de precipitados 600 ml Cubos para peso específico Procedimiento: Los cubos para peso específico son una serie de cuerpos cuyo volumen es 1cm 3 ya cada uno de sus lados es de 1 cm, por lo tanto poseen una unidad e volumen así que el valor de su peso coincide numéricamente con el valor de su densidad, si tienes acceso a una balanza, te invitamos a pesarlas y corroborar esto. La densidad del agua es 1g/cm 3, aquellos cuerpos que posean una densidad mayor se hundirán y los que posean una menor flotaran, la flotación depende de la densidad tanto del cuerpo como del fluido. Prueba con los cubos para peso específico cuales flotan y cuales no. Podemos tomar el cubo de peso específico de madera colocarlo en un recipiente con agua como el vaso de precipitados, agrega sal y observa como el cubo emerge

5 4 DENSIDAD DEL AGUA La densidad es una propiedad de la materia que relaciona la masa y el volumen que esta ocupa. Ya hemos visto que las soluciones se obtienen cuando por ejemplo disolvemos sal en agua; así estamos aumentando en el agua la cantidad de partículas disueltas como los iones. La densidad del agua aumenta de esta manera. Con el siguiente experimento lo comprobaremos. Materiales: vasos de precipitados cubeta plástica Un huevo cocido Cloruro de sodio (sal de cocina) Agitador de vidrio Procedimiento: Llena el vaso de precipitados a un poco más de la mitad, lo mismo la cubeta plástica. Adiciona al vaso cierta cantidad de sal de cocina y agita para disolverla. Luego coloca el huevo en la cubeta que tiene solamente agua y observa lo que sucede. Ahora coloca el huevo en el vaso que tiene agua con sal y observa. Por qué crees que el huevo flota? El huevo flota en el vaso que contiene el agua con mayor densidad.

6 5 TENSIÓN SUPERFICIAL Imagina una capa o película delgada sobre la superficie de un líquido cualquiera dentro de un recipiente. La tensión superficial es el fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. Por esto algunos insectos, pueden desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. Materiales: 1 Caja de clips 1 Vaso de precipitados Procedimiento: Llena de agua el vaso de precipitados hasta el borde. Sumerge el clip dentro en el agua y sigue adicionando clips hasta que el agua se desborde. Cuántos clips necesitaste para lograrlo? La tensión superficial del agua no permite que esta se desborde. Para lograrlo debes colocar un objeto de volumen considerable.

7 6 ROMPIENDO LA TENSIÓN SUPERFICIAL Los tenso activos, surfactantes o agentes de superficie activa, son sustancias que disminuyen o eliminan el efecto de la tensión superficial. Sus moléculas tienen una parte soluble en agua y otra soluble en aceite y por esto son utilizados como espumantes en shampús, detergentes y muchos productos más. Materiales: Clips 1 vaso de precipitados Gotero Jabón líquido Tubo de ensayo Procedimiento: Para este experimento prepararemos una solución jabonosa, llenando de agua hasta la mitad el tubo de ensayo y adicionándole cinco gotas de jabón líquido. Con el agitador realizamos movimientos circulares suaves para homogenizar la solución. Llena de agua un poco más de la mitad de la caja de Petri. Coloca un clip sobre la superficie del agua. Este flotará por acción de la tensión superficial del agua. Ahora con el gotero adiciona una gota de solución jabonosa sobre un extremo del clip. La tensión superficial del agua disminuye en el punto donde cae la gota y el clip hace un movimiento para recuperar su equilibrio sobre la superficie.

8 7. DENSIDADES DE LIQUIDOS INMISCIBLES MATERIALES: Pinza de sujeción Nuez doble Base metálica con Varilla Tubo en U Agua y aceite (no incluido) Procedimiento: Tome el tubo en U y sosténgalo en forma vertical con ayuda de la pinza, nuez y soporte universal, agregue agua hasta que la atura en cada rama sea de unos 4 cm. Luego agregue aceite en una de las dos ramas y notara como el aceite desplaza al agua y hace que esta ascienda por la otra rama. Vamos a llamar como cero el nivel de referencia donde el agua y el aceite se unen. Mida al altura de la columna de aceite (h1), luego mida la altura de la columna de agua de la otra rama, medida desde el nivel de referencia cero (h2), hasta la parte superior, compare estas dos medidas, cual es más grande? Podemos ubicar en la literatura un valor aproximado de la densidad del aceite y realizamos el siguiente cálculo: Columna de agua x altura de agua = Columna de aceite x densidad del aceite

9 8. PRINCIPIO DE PASCAL Materiales: BOMBA DE PASCAL AGUA En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal ( ) que se resume en la frase: «el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo». El principio de Pascal puede comprobarse utilizando un instrumento llamado bomba de pascal que consiste en una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión.

10 9. VASOS COMUNICANTES Materiales: Vasos comunicantes Base de los vasos comunicantes Agua PROCEDIMIENTO: Coloque los vasos comunicantes sobre la base para que queden verticales, luego vierta agua por el más grueso de los mismos, observe que pasa con el nivel dentro de los otros compartimientos, done queda el agua más abajo o más arriba? Trate de explicar este fenómeno.

11 10. PRESION DE UN GAS El aire es una sustancia gaseosa, todas sus moléculas están libres y se mueven constantemente, además son muy pequeñas, por esto no lo podemos ver, pero si podemos probar que existe y que ocupa un espacio como todas las demás cosas. Materiales: Vaso de precipitados 600 ML Tubo de ensayo pequeño Agua Procedimiento: Toma el vaso plástico y llénalo de agua, luego sumerge el tubo de ensayo boca abajo dentro del vaso, ahora observa con detenimiento la superficie del agua en la boca del tubo de ensayo, esta no sube, debido a que existe algo que ocupa ese espacio que parece vacío, ese algo es el aire. Por qué el agua no sube dentro del tubo?

12 11-PRESIÓN ATMOSFÉRICA Siempre hemos hablado de que el aire a nuestro alrededor transmite una fuerza que se llama presión atmosférica, pero desde que nacemos la sentimos y estamos tan acostumbrados que no nos damos cuenta de ella. En este experimento trataremos de mostrar una de sus consecuencias. Debes preparar los siguientes materiales: Tubo de ensayo Trozo de papel Procedimiento: Llena el tubo de ensayo con agua, hasta el borde, luego coloca un trozo de papel sobre este de tal manera que se humedezca y voltea el tubo de ensayo, si quitas la mano, el papel no se cae y el agua se mantiene adentro. Esta presión atmosférica es bastante fuerte, tanto que este tubo de ensayo podría tener 10 metros de largo y aún así podría sostener el agua contenida en su interior

13 12 - DENSÍMETRO Cuando un cuerpo flota dentro de un líquido, parte de sí mismo queda sumergido, que tanto se sumerge depende de que tan denso sea el líquido. Debes preparar los siguientes materiales: Tapón de caucho Perdigones Tubo de ensayo para densímetro (el más largo) Vaso 600 ml Procedimiento: Toma el tubo de ensayo y coloca dentro de este unos perdigones (aproximadamente la cuarta parte) o puedes utilizar elementos metálicos pequeños como puntillas y tornillos. Sumerge el tubo en el vaso de vidrio y agrega más objetos hasta que el tubo flote por la mitad, luego coloca el tapón de caucho. Si colocas ahora el tubo en otro líquido, por ejemplo aceite de cocina notarás que se hunde más que cuando se colocó en agua lo cual indica que el aceite es menos denso. Si llegase a hundirse menos, indica que es más denso que el agua. Se puede agregar lentamente sal al agua, lo que hace aumentar su densidad y por lo tanto el densímetro va ascendiendo.

14 13- SIFÓN Debes preparar los siguientes materiales: Vaso Vidrio Cubeta plástica Manguera de caucho Procedimiento: Toma el vaso de vidrio y llénalo de agua, coloca un extremo de la manguera dentro de él, y el otro extremo a un nivel más bajo que el vaso, coloca debajo una cubeta plástica y aspira aire por la manguera, cuando sientas que el agua va a salir, coloca el extremo de la manguera en el tubo y verás cómo el agua pasa del vaso a la manguera. Así pasan líquidos de un recipiente a otro cuando estos no se pueden mover. Por lo general el agua siempre corre de arriba hacia abajo Porqué asciende a través de la manguera?. En la parte superior manguera, se crea un vacío, debido a que agua que sale por abajo deja un espacio libre que se debe llenar.

15 14 PRENSA HIDRAÚLICA Debes preparar los siguientes materiales: Manguera de caucho Jeringas grandes Procedimiento: Toma las dos jeringas vacías. Llena una jeringa de agua y vacía la otra (sin aire); luego conéctalas entre sí con ayuda de la manguera de caucho. Si presionas el pistón de la jeringa con agua, se moverá el pistón de la jeringa vacía, debido a que la presión que ejerces sobre el líquido se transmite a todos los puntos, haciendo que empuje el segundo pistón. Este es el principio de Pascal y el aparato montado se llama prensa hidráulica. A partir de la prensa hidráulica se han creado otros dispositivos que tienen el mismo principio de funcionamiento, como el gato hidráulico, el elevador hidráulico, el freno hidráulico.

16 15 PRENSA NEUMÁTICA Debes preparar los siguientes materiales: Manguera de caucho Jeringas. Procedimiento: Vacía las jeringas, deja una con el pistón totalmente al fondo y la otra con el pistón afuera. Conéctalas entre sí con la manguera. Presiona la que contiene aire y verás como el otro pistón se mueve hacia fuera, nuevamente se aplica el principio de Pascal pero se tiene una prensa neumática, por que en este caso el fluido utilizado es aire. Cuando accionas una prensa hidráulica reacciona de forma inmediata. Cuando accionas una prensa neumática, inicialmente el aire se comprime y después comienza el movimiento del segundo pistón.

17 16 PRICIPIO DE BERNOULLI Debes preparar los siguientes materiales: Hoja de papel Procedimiento: Toma una hoja de papel entre tus dedos y déjala que descuelgue hacia abajo, luego sopla por encima de la hoja y verás como ésta se levanta. Esto se debe a que al soplar se induce una corriente de aire por encima de la hoja. El principio de Bernoulli dice que a mayor velocidad menor presión, por lo tanto la presión por encima de la hoja se hace menor que la presión por debajo, resultando una fuerza hacia arriba que la levanta. El mismo principio que hace que la hoja se levante, es el responsable que los aviones vuelen. Las alas de los aviones tienen una forma muy especial para que la velocidad del aire que pasa por arriba del ala, sea mayor a la del aire que pasa por debajo.

18 17 VÁLVULA DE PASO Debes preparar los siguientes materiales: Jeringa Esfera de metal (balín) Agua Vaso plástico Procedimiento: Toma la jeringa, extrae el émbolo, coloca en el interior la esfera metálica y nuevamente coloca el émbolo, para cerrar la jeringa ponla en posición vertical con la punta hacia arriba. Ahora sumerge la jeringa en agua y succiona. Notarás que el agua asciende por ésta. Cuando la Jeringa esté llena trata de expulsar el agua (manteniendo siempre la jeringa con la punta hacia abajo), notarás que el agua no sale debido a que la presión de esta empuja la esfera hacia la punta, tapando la salida. Hemos construido una válvula de paso, ya que permite que el agua entre, pero no que salga.

19 18 LUDIÓN En este experimento fabricarás un singular aparato que sirve para poner a prueba la inteligencia de las personas al preguntarles por qué? Debes preparar los siguientes materiales: Gotero Botella plástica desechable (no incluida) Procedimiento: Llena la botella de agua hasta el borde, luego recoge una pequeña cantidad de agua en el gotero y sumérgelo en el agua, si el gotero se hunde, saca un poco de agua y prueba nuevamente hasta que flote. Luego tapa la botella (no debe quedar aire en la botella, solo en el gotero), el gotero tratará de flotar y chocará contra la tapa. Qué sucede si aprietas la botella un poco con la mano? Al comprimir la botella, la presión se transmite al gotero haciendo que el aire reduzca su volumen y entre más agua, haciendo el gotero más pesado y se hunde. Cuando liberas la botella, el gotero nuevamente asciende, debido a que el aire se expande haciendo el gotero más liviano.

20 19 SURTIDOR DE AGUA MATERIALES Surtidor de agua Nuez con gancho Carrete de hilo Base Varilla roscada PROCEDIMIENTO: Realice el montaje que se encuentra en la figura colgando el surtidor de un hilo y sosteniéndolo con ayuda de soporte universal y de una nuez con gancho, el surtidor tiene dos brazos de vidrio en forma de L, los cuales se conecta al cuerpo principal por medio de dos mangueras, así que la disposición de los brazos se puede modificar de dos maneras diferentes, tal como se muestra en la figura. Escoja una de las dos configuraciones y agregue agua al cuerpo principal y observe si el surtidor gira o no, luego cambie la configuración de los brazos y repita el procedimiento anterior. En qué caso gira el surtidor? Por qué?

21 ANEXO 1. TABLA DENSIDADES METALES METAL DENSIDAD UNIDADES ALUMINIO 2,70 g/cm 3 COBRE 8,93 g/cm 3 CINC 7,10 g/cm 3 CROMO 7,10 " g/cm 3 ESTAÑO 7,29 g/cm 3 HIERRO 7,87 g/cm 3 NÍQUEL 8,90 g/cm 3 PLATA 10,50 g/cm 3 PLOMO 11,3 g/cm 3 MERCURIO 13,50 g/cm 3 ORO 19,3 g/cm 3 PLATINO 21,50 g/cm 3