Instructor: Christian Alfredo Acevedo Herrera ... Tema: _Hidrodinámica______

Instructor: Christian Alfredo Acevedo Herrera
Tema: _Hidrodinámica______
Materia: __Física___
Problemas para trabajo en grupo, del libro “Física, conceptos y aplicaciones” de Paul E. Tippens,
Séptima Edición, o problemas propuestos:
Instrucción Generales: en clase se deberá elegir alguno de los 6 problemas, siendo uno diferente
para cada grupo; y deberán construirlo en la vida real con un modelo, de modo que puedan
visualizarse los elementos a evaluar en cada problema. Deben resolverse teórica y
experimentalmente.
Se realizará esta experiencia el día __ del mes __ del 2014, donde hay dos horas de laboratorio de
física, en el gimnasio del colegio. Deberán traer un cambio de ropa que puedan mojar, pues estas
experiencias incluyen líquidos que, en su mayoría o todos, serán agua.
Las categorías de los experimentos son dos: de recipiente y de mangueras. En ambos deberán
realizarse mediciones de distintos tipos, de modo teórico y experimental.
Será en grupos de máximo 5 estudiantes, donde dos deberán ser los encargados de construir el
experimento (constructores y captadores de datos); dos deberán encargarse de resolver el
problema de manera teórica (los analistas) y uno deberá presentar, al final de la clase, frente a
todos, en un tiempo de no más de 3 minutos, los resultados de su experimento. Se podrá realizar
preguntas al final de las sustentaciones orales.
Evaluación: será acorde al trabajo realizado en el laboratorio, con los aspectos mostrados en
clase.
Las dos horas deberán usarse sabiamente como sigue: tienen exactamente 30 minutos (la
primera hora) para generar el experimento, construir y conectar lo que sea necesario (puede
traerse tan listo como uno desee de antes, excepto la toma de resultados, que debe realizarse
completamente acá) y obtener resultados, y preparar su apoyo visual, del tipo que sea que
vayan a realizar.
Existen cerca del gimnasio 4 zonas de donde se puede sacar agua de mangueras. Los muchachos
deberán tratar de traer alguna de ellas, en la medida de lo posible.
En la última hora, deberán presentar sus resultados, con un tiempo de 2 minutos por cada
presentador, usando el tablero, dibujos, y otra estrategia.
Recordar que en la vida real hay pérdidas de energía por fricción en los recipientes, así
que entre realidad y teoría, habrá diferencias en sus resultados.
1. (15.26) A partir de un depósito terminal de __ cm de diámetro, fluye agua con una
velocidad promedio de __ m/s. ¿Cuál es el gasto en litros por minuto (1L = 0.001 m3)?
¿Cuánto tardará en llenarse un recipiente de ___ L?
a. Consideraciones para armar este problema:
i. Se puede utilizar algún otro fluido que no sea agua, con tal de que no
represente un gran gasto de dinero, y que no sea muy viscoso, volátil,
combustible o peligroso para la salud humana al exponerse a dicho fluido.
ii. El depósito terminal, si se usa un envase, debe mantenerse al mismo nivel
de líquido (recordar ecuación de Bernoulli, mientras se va vaciando el
tanque, la velocidad de salida cambia, y queremos que sea constante).
Deberán crear un modo en que el recipiente no baje su nivel (por
ejemplo, mientras se vacía, llenarlo en otro extremo con una manguera).
iii. La velocidad de salida del fluido se medirá utilizando metodología de
“lanzamiento de proyectiles” como sigue: abrirán un agujero a cierta
profundidad del depósito terminal, y se verá la distancia horizontal del
agua hasta que toca el suelo; se medirá el tiempo que tardará en caer el
agua a este punto y, como se conoce la altura a la cual sale dicho chorro,
se puede calcular la velocidad de salida, para entonces calcular el gasto.
Recordar medir la altura en este punto, pues esta debe mantenerse
constante mientras el chorro sale.
iv. Deberán seleccionar previamente un recipiente de volumen conocido (un
tanque de basura, un galón de agua vacío, etc…) para entonces poder
calcular el tiempo que tardará en llenarse. Evaluación: el tiempo en que
tarde en llenarse el recipiente, teórico y experimental, deben
coincidir o estar cercanos entre sí.
2. (15.28) El agua que fluye de un tubo de __ pulgadas sale horizontalmente a razón de __
gal/min. ¿Cuál es la velocidad de salida? ¿Cuál es el alcance horizontal del chorro de agua
si el tubo está a __ pies del suelo?
a. Consideraciones para armar este problema:
i. Se puede utilizar algún otro fluido que no sea agua, con tal de que no
represente un gran gasto de dinero, y que no sea muy viscoso, volátil,
combustible o peligroso para la salud humana al exponerse a dicho fluido.
ii. Deberán elegir un tubo de agua (puede ser una manguera) con diámetro
interior que pueda conocerse o calcularse (las mangueras tienen un
grosor del material, así que el diámetro exterior no es el que debe
usarse).
iii. Para medir el gasto, puede usarse un pequeño cubo de agua de volumen
conocido y un cronómetro. Se conoce el volumen, y se mediría el tiempo
que demora en llenarse con el cronómetro, para así obtener el gasto.
iv. La velocidad de salida del fluido se medirá utilizando metodología de
“lanzamiento de proyectiles” como sigue: abrirán un agujero a cierta
profundidad del depósito terminal, y se verá la distancia horizontal del
agua hasta que toca el suelo; se medirá el tiempo que tardará en caer el
agua a este punto y, como se conoce la altura a la cual sale dicho chorro,
se puede calcular la velocidad de salida, para entonces calcular el gasto.
Recordar medir la altura en este punto, pues esta debe mantenerse
constante mientras el chorro sale.
v. Deberán obtener el alcance horizontal experimentalmente, y luego
compararlo con los resultados teóricos. En su evaluación deberán
utilizar una cinta métrica para medir el alcance horizontal teórico,
con sus propios datos, y compararlo con el experimental.
3. (Propuesto) De una tubería sale agua a una presión de __ psi, medido con un manómetro.
Con una manguera de __ ft de largo, se hace un arreglo con una manguera como se
muestra en la figura a continuación. Determine la pérdida de presión que hay en la
manguera.
a. Consideraciones para armar este problema:
i. Deberán medir la altura que alcanza la columna vertical de la manguera
para conocer la velocidad de salida y aplicar la ecuación de Bernoulli con
gasto de energía. Debe buscarse la manera de mantener la manguera en
posición vertical.
ii. Puede usarse metro, cinta métrica, o cualquier otro método posible para
obtener la altura de la columna de agua.
iii. Una vez obtenida la altura del fluido, conociendo que sale a presión
atmosférica, y que en la parte más la velocidad es cero, y con la medición
del manómetro hecha previamente, podrá obtenerse la pérdida en la
manguera. Se medirá con el manómetro antes y después de la
mantera, al mismo nivel de apertura, para obtener la pérdida de
presión, y esta debe coincidir con los cálculos de los estudiantes.
4. (15.34) El agua fluye a razón de __ gal/min a través de una abertura que se localiza en el
fondo de un depósito cilíndrico. El agua del depósito tiene __ pies de profundidad. ¿Cuál
sería el gasto de salida si se aplicara una presión adicional de __ libras por pulgada
cuadrada a la fuente de suministro de agua?
a. Consideraciones para armar este problema:
i. Se puede utilizar algún otro fluido que no sea agua, con tal de que no
represente un gran gasto de dinero, y que no sea muy viscoso, volátil,
combustible o peligroso para la salud humana al exponerse a dicho fluido.
ii. El depósito, si se usa un envase, debe mantenerse al mismo nivel de
líquido (recordar ecuación de Bernoulli, mientras se va vaciando el
tanque, la velocidad de salida cambia, y queremos que sea constante).
Deberán crear un modo en que el recipiente no baje su nivel (por
ejemplo, mientras se vacía, llenarlo en otro extremo con una manguera).
iii. Se puede medir el gasto con tres estrategias diferentes:
1. Podrían usar un envase, de volumen conocido, y un cronómetro.
Recordando lo expuesto en el punto ii. , colocarían el recipiente
de modo que recibiese toda el agua del agujero, y con el
cronómetro contarían el tiempo que tarda en llenarse. Dividiendo
ambos datos entre sí, consiguen el gasto.
2. Podrían calcular la velocidad terminal con metodología de
lanzamiento de proyectiles, como sigue: abrirán un agujero a
cierta profundidad del depósito terminal, y se verá la distancia
horizontal del agua hasta que toca el suelo; se medirá el tiempo
que tardará en caer el agua a este punto y, como se conoce la
altura a la cual sale dicho chorro, se puede calcular la velocidad
de salida, para entonces calcular el gasto. Recordar medir la
altura en este punto, pues esta debe mantenerse constante
mientras el chorro sale.
3. Cualquier otro que se les ocurra, que me consulten.
iv. A dicho recipiente, para agregarle presión, se aconseja lo siguiente:
Deben tener un peso conocido con anticipación (puede medirse su masa
con las balanzas del laboratorio) y colocándole una tapa al recipiente, de
área transversal conocida. Teóricamente, se está agregando una presión
igual a peso dividido entre área de la tapa, y puede asumirse lo mismo
experimentalmente. Con esto, deberá recalcularse el gasto. Se evaluará
si teórica y experimentalmente, el gasto es del valor requerido.
5. (Propuesto) En el dibujo hay un recipiente, en cuya parte inferior sale un tuvo
transparente flexible como se muestra. Si ambos extremos están abiertos al aire
atmosférico, y el recipiente tiene __ cm de profundidad de líquido ¿a qué velocidad debe
salir el líquido, si la boquilla del tubo está a __ cm de la superficie del agua?
a. Consideraciones para armar este problema:
i. Se puede utilizar algún otro fluido que no sea agua, con tal de que no
represente un gran gasto de dinero, y que no sea muy viscoso, volátil,
combustible o peligroso para la salud humana al exponerse a dicho fluido.
ii. El depósito, si se usa un envase, debe mantenerse al mismo nivel de
líquido (recordar ecuación de Bernoulli, mientras se va vaciando el
tanque, la velocidad de salida cambia, y queremos que sea constante).
Deberán crear un modo en que el recipiente no baje su nivel (por
ejemplo, mientras se vacía, llenarlo en otro extremo con una manguera).
iii. La velocidad de salida del fluido se medirá utilizando metodología de
“lanzamiento de proyectiles” como sigue: abrirán un agujero a cierta
profundidad del depósito terminal, y se verá la distancia horizontal del
agua hasta que toca el suelo; se medirá el tiempo que tardará en caer el
agua a este punto y, como se conoce la altura a la cual sale dicho chorro,
se puede calcular la velocidad de salida, para entonces calcular el gasto.
Recordar medir la altura en este punto, pues esta debe mantenerse
constante mientras el chorro sale.
iv. Se evaluará que el nivel teórico coincida con el nivel experimental.
6. (Propuesto) A través de un tubo flexible, sale agua a razón de __ gal/min. Si se hace un
arreglo con el tubo de la forma como se muestra en el dibujo, diga ¿cuál es la presión de
salida del fluido en la llave de paso, si el fluido alcanza una altura de __ cm?
a. Consideraciones para armar este problema:
i. Deberán elegir un tubo (puede ser una manguera) con diámetro interior
que pueda conocerse o calcularse (las mangueras tienen un grosor del
material, así que el diámetro exterior no es el que debe usarse).
ii. Para medir el gasto, puede usarse un pequeño cubo de agua de volumen
conocido y un cronómetro. Se conoce el volumen, y se mediría el tiempo
que demora en llenarse con el cronómetro, para así obtener el gasto.
iii. Puede usarse un metro, una cinta métrica, u otros medios para medir la
altura de la columna de agua a la salida de la manguera.
iv. Tratar de que la manguera sea lo más corta posible. Entre más larga,
habrá más pérdidas por presión y la altura será menor por las pérdidas.
De no encontrar una lo suficientemente corta, acorten alguna
manguera o tubo lo suficiente como para realizar la medición. De no
querer o poder acortarla, se puede obtener la presión antes y después,
para saber la pérdida de presión en la manguera a dicha velocidad.
v. Deberán medir la altura de la columna de agua y con ello, determinar la
presión a la salida. Se hará una medición con un manómetro de la
salida de la pared, y la coincidencia de los resultados teóricos y
experimentales deberán coincidir (o acercarse entre sí).