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- 1. Introducción y antecedentes En el presente experimento se busca estudiar y entender el fenómeno que ocurre en un pistón trasformando la energía de presión de un gas en trabajo mecánico, este mismo principio se emplea en la combustión de hidrocarburos para realizar trabajo mecánico y generar la energía mecánica con el cual se mueve un automóvil. Para el estudio de este pistón se empleará un método por análisis de variables por medio de matrices “Experimentos Inteligentes” el cual nos ayudara a identificar las variables implicadas y centrarnos en el sistema más importante el cual es el pistón. Objetivo y alcance de la experiencia - Determinar el trabajo realizado por medio de la variación del volumen. - Analizar el flujo volumétrico con respecto a fuerzas externas aplicadas en los pistones. - Encontrar el modelamiento matemático adecuado para el módulo de banco de pistones. Información bibliográfica MECANICA DE FLUIDOS La mecánica de fluidos es parte de la física y como tal, es una ciencia especializada en el estudio del comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento. Pero, ¿Qué es un fluido?, un fluido se define como una sustancia que cambia su forma con relativa facilidad, los fluidos incluyen
- 2. tanto a los líquidos, que cambian de forma, pero no de volumen, como a los gases, los cuales cambian fácilmente de forma y de volumen. Existe otra definición más elaborada que define a un fluido como una sustancia capaz de fluir; entiéndase la fluidez como la propiedad de deformarse continuamente bajo la acción de una fuerza tangente al piano de aplicación por pequeña que sea. La mecánica de fluidos clásica se divide principalmente en estática de fluidos y dinámica de fluidos. La estática de fluidos se ocupa del estudio de las leyes y condiciones que rigen el equilibrio de los fluidos en reposo teniendo en cuenta la acción de las fuerzas a que se hallan sometidos. En tanto que, la dinámica de fluidos estudia las leyes del movimiento de los fluidos, las fuerzas que intervienen en tal movimiento y su interacción con los cuerpos sólidos. Dada la complejidad de la materia en estudio, la dinámica de fluidos se subdivide por las características físicas del fluido o el tipo de método empleado para resolver el problema. El flujo viscoso es el estudio del flujo real, ya que al tener en consideración la viscosidad del fluido se producen las fuerzas viscosas. El flujo turbulento se caracteriza porque las partículas de fluido tienen un movimiento tridimensional al azar que se suma al movimiento principal, produciéndose de esta forma las fluctuaciones de velocidad. Presión La presión se define como la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal. Puesto que la presión se define como la fuerza por unidad de área, tiene como unidad los néwtones por metro cuadrado (N/m2), también conocida como pascal (Pa). Es decir 𝑃 = 𝐹 𝐴 Velocidad La velocidad es una magnitud física que expresa la relación entre el espacio recorrido por un objeto, el tiempo empleado para ello y su dirección. 𝑣 = 𝑑 𝑡 Volumen
- 3. El volumen representa la amplitud de la materia en tres dimensiones: alto, ancho y largo. Toda materia ocupa un espacio que puede variar dependiendo de su tamaño, la medida de dicho espacio es el volumen. 𝑉 = 𝐴𝑏𝑎𝑠𝑒 ∗ ℎ Viscosidad Cuando hablamos de viscosidad nos referimos a una propiedad de los fluidos equivalente al concepto de espesor, es decir, a la resistencia que tienen ciertas sustancias para fluir y para sufrir deformaciones graduales producto de tensiones cortantes o tensiones de tracción. Hay dos tipos de viscosidad: la dinámica y la cinemática. A ello pueden sumarse la extensional y la aparente - Viscosidad dinámica (μ). También llamada viscosidad absoluta, se entiende como la relación entre el gradiente de velocidad (velocidad de movimiento de las partículas) y el esfuerzo cortante. Se la mide, según el Sistema Internacional (SI) en pascales-segundo. Ésta depende además de la temperatura: a mayor temperatura, menor viscosidad. - Viscosidad cinemática (v). En un fluido a temperatura constante, la viscosidad cinemática se calculará dividiendo la dinámica entre la densidad del fluido, y expresando el resultado en metros cuadrados sobre segundo. Densidad La densidad es una magnitud escalar que permite medir la cantidad de masa que hay en determinado volumen de una sustancia. 𝜌 = 𝑚 𝑉 Trabajo realizado
- 4. Trabajo se define en física como la fuerza que se aplica sobre un cuerpo para desplazarlo de un punto a otro. Al aplicar fuerza se libera y se transfiere energía potencial a ese cuerpo y se vence una resistencia. 𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 = ∫ 𝐹 ∙ 𝑑𝑉 𝑉2 𝑉1 Fricción Fuerza que existe entre dos superficies en contacto, que se opone al deslizamiento (fuerza de fricción estática y cinética). Se genera debido a las imperfecciones, que en mayor parte son microscópicas, entre las superficies en contacto. 𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 − 𝑊 𝑓𝑟 = 𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 Identificación y análisis de variables Variables dependientes Densidad Viscosidad de aire/agua Volumen del aire/agua Presión del aire/agua Caudal Variables Independientes Masa Peso Tiempo Carga estática Potencia Especificación de equipos, instrumentos, materiales e insumos, a emplear Equipos Compresora de aire Tanque de almacenamiento Pistones
- 5. Instrumentos Manómetro Cronómetros Materiales e insumos Agua Pesas Aire Mangueras Electricidad Establecimiento del procedimiento experimental general y de los principales métodos Procedimiento El módulo consta de tres pistones descartables por separado, cada uno de ellos está conectado a una fuente que le proporciona un fluido ( los dos primeros aire y el tercero agua). Sistema con flujo de aire 1) Se encendió la compresora de aire hasta acumular una suficiente cantidad de aire. 2) Se abre la primera llave para dejar que el aire pase al tanque y se mide la presión. 3) Se realizan tres ensayos en los cuales se abre la segunda llave y se mide el tiempo a diferentes presiones. Sistema con flujo de aire a presión atmosférica (con pesas) 1) Se dejó abierta la segunda y la tercera llave (para que el tanque tenga la presión externa). 2) Se colocan diferentes pesos en la parte inferior del pistón. 3) Se realizan tres ensayos en los cuales se mide el tiempo con respecto al peso.
- 6. Ficha sobre el análisis de riesgos, medidas de seguridad y disposición adecuada de desechos Los aspectos a considerar para mitigar riesgos son: el uso de ropa y EPP apropiados, autorización para el uso de máquinas sólo por personal capacitado, instalación de guardas o dispositivos de seguridad, mantenimiento con equipo desconectado. Se debe revisar también la distancia mínima entre las máquinas y/o las paredes, en lo posible usar sistemas de alimentación automática, herramientas adecuadas y buenas condiciones de orden y aseo. Identificación de riesgos Descripción Medidas a Tomar Instrumentos requeridos Electrocución Electrocutarse por un cable descubierto Verificar las conexiones y cableado Guantes dieléctricos Explosión de tanque Exceder la capacidad de almacenamiento de aire Regular la entrada y salida de aire Manómetro Nº de pruebas a realizar Prueba 1 Pistón 1 Presión 1psi tiempo(s) piston(cm^3) 0.6 10 1.24 20 1.89 30 2.46 40 3.35 50 5.18 60 Prueba 2 Pistón 2 Presión 1 psi tiempo(s) piston(cm^3) 0.6 10
- 7. 1.2 20 1.29 30 1.76 40 2.13 50 2.59 60 Prueba 3 Pistón 1 masa =100kg Presión 1 atm tiempo(s) piston(cm^3) 1.58 10 4.11 20 5.72 30 6.92 40 7.99 50 9.25 60 Prueba 4 Pistón 2 masa =400kg Presión 1 atm tiempo(s) piston(cm^3) 2.82 10 3.45 20 4.13 30 4.85 40 5.68 50 6.66 60 BIBLIOGRAFIA 1. Cengel YA,BolesMA.Termodinámica. En.;2009-2012. 2. San Marcos C. MECÁNICA DE FLUIDOSE INGENIERÍA DE FLUIDOS. 2002.