universidad de santiago de chile

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
Programa Vespertino de Prosecución de Estudios
Ingeniería de Ejecución en Mecánica
INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA
PROGRAMA PROSECUCION DE ESTUDIOS
VESPERTINO
GUIA DE LABORATORIO
ASIGNATURA
9555 M85 MECÁNICA DE FLUIDOS
NIVEL 03
EXPERIENCIA E-27
“FUERZA DE ARRASTRE”
HORARIO: SÁBADO 3-4-5-6
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Programa Vespertino de Prosecución de Estudios
Ingeniería de Ejecución en Mecánica
EXPERIENCIA E-27 FUERZAS DE ARRASTRE
1.
OBJETIVO GENERAL
Determinar esfuerzos de arrastre en cuerpos sumergidos. Estudiar su dependencia con la
forma geométrica y rugosidad superficial.
2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
2.1.
Medir esfuerzos de arrastre en una esfera lisa.
2.2.
Medir esfuerzos de arrastre en una semi-esfera frontal
2.3.
Medir esfuerzos de arrastre en una esfera posterior.
2.4.
Medir esfuerzos de arrastre en un disco.
2.5.
Estudiar experimentalmente el coeficiente de arrastre vs el Número de Reynolds.
3.
ANTECEDENTES TEÓRICOS
El arrastre sobre un cuerpo en un fluido en movimiento es una cantidad muy difícil de
determinar debido a que depende de factores como la localización de la transición del flujo
laminar a turbulento en la capa límite así como el sitio de separación para nombrar sólo dos
inconvenientes. Suficiente razón para utilizar datos experimentales. Para este propósito,
usualmente el arrastre “D” se expresa de la forma:
D  CD A
U2
2
donde:
D
=
Fuerza de arrastre.
CD
=
Coeficiente de arrastre.
A
=
Area proyectada en la dirección de la corriente libre.
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Para el caso particular de alas es el área de la forma en planta del perfil y para
barcos es la proyección del área mojada en la dirección del movimiento del
barco.
U
=
Es la velocidad de la corriente libre. Sin perturbación alguna.
En las placas orientadas paralelamente al flujo el área es (b · l) es decir el área real de la
placa.
Se puede observar que el “Coeficiente de arrastre” “Cd” es adimensional esto se aprecia
considerando:
 Arrastre/ A 

CD  2 


U2


donde el paréntesis corresponde al número de Euler que es adiensional.
El otro número adimensional importante para flujo a baja velocidad en cuerpos sumergidos es
el Número de Reynolds.
| Re 
 UL

Para el caso particular en alas de aviones modernos, también debe considerarse el número de
Mach.

=
Densidad del flujo
L
=
Longitud característica
U
=
Velocidad de la corriente libre

=
Viscosidad dinámica
Se debe tener en consideración que existen, en una placa plana el Cf cuando está orientada
en forma paralela al flujo. Este se debe totalmente al esfuerzo cortante sobre la superficie.
Sin embargo cuando la placa está orientada perpendicular al flujo, existe lo que se llama
arrastre de presión, donde todos los esfuerzos son normales a la placa. En este último caso el
flujo se separa en el borde debido a que no puede seguir la esquina aguda.
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En definitiva se han mostrado dos posiciones extremas para una placa plana donde, por un
lado, se tiene solo arrastre de fricción superficial y, por el otro, únicamente arrastre de presión
para placas inclinadas tendrá ambos tipos.
Por presión
Figura 1
Cuando la capa límite llega al reposo se genera el fenómeno de SEPARACION DE LA CAPA
LIMITE.
La línea de corriente en contacto con la pared se aparta de ella en el punto de separación, y
aguas abajo de este punto el gradiente de presiones adverso obliga al fluido a cambiar de
dirección cerca de la pared.
Esta región aguas abajo de la línea de corriente, que se separa de la pared se le llama
ESTELA DE REMOLINOS. Por efecto de la separación y de la estela de remolinos se
perjudica el proceso de conversión de la energía cinética en energía de presión y se
incrementa la pérdida de la energía mecánica. Esta es la razón por la cual los cuerpos fluidodinámicos se proyectan de tal forma que el punto de separación se presente lo más aguas
abajo que sea posible. Si la separación puede evitarse, entonces la capa límite permanece
delgada y la presión es casi recuperada aguas abajo a lo largo del cuerpo. La única pérdida, o
resistencia, es la debida a la tensión de cortadura y se llama ROZAMIENTO PELICULAR O
SUPERFICIAL.
En la estela de remolinos no se recupera la presión y resulta una resistencia debido a la
presión o de forma. La reducción de la estela de remolinos disminuye la resistencia debida a
la presión sobre un cuerpo. En general, la resistencia es debida al razonamiento pelicular y a
la resistencia debida a la presión.
El flujo alrededor de una esfera ilustra muy bien lo anteriormente explicado.
En la figura (2) y (3) se observa el fenómeno para dos esferas que caen al agua.
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En la figura (2), la separación se presenta en la capa límite laminar que se forma a lo largo de
la superficie LISA, originando una ESTELA muy GRANDE, resultando una resistencia debida
a la presión muy grande. En la figura (3) la superficie de la esfera es rugosa provocando una
pronta transición a capa límite turbulenta antes de que la separación se produzca. El gran
intercambio de la cantidad de movimiento en la capa límite turbulenta retrasa la separación de
tal manera que la estela se reduce notablemente, resultando una RESISTENCIA total sobre la
esfera, menor que la mitad de la que se origina en el caso mostrado en la figura (2).
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Se adjuntan coeficientes de arrastre sobre cuerpos sumergidos
4.
PROCEDIMIENTO
4.1.
Reconocimiento del Túnel sub-sónico.
4.2.
Reconocimientos de los cuerpos a ensayar.
4.3.
Desarrollo de los objetivos prefijados.
4.4.
Determinación de los variables a medir.
4.5.
Planificación del experimento.
4.6.
Tabulación experimental.
4.7.
Análisis de consistencia.
5.
BIBLIOGRAFIA

Irving Shames, “Mecánica de Fluidos”, Mc Graw Hill.

Frank White, “Mecánica de Fluidos”, Mc Graw Hill.
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