flotabilidad - bernoulli - masa - energia
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conceptos claros y ejemplos detallados.... Fuente Catedrático Ing. Armando Fontalvo.TRANSCRIPT
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FLOTABILIDAD
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SUPUESTO BSICO
El fluido es incompresible.
Su densidad es aprox. constante
Los lquidos son fluidos incompresibles.
Los gases no son fluidos incompresibles en general.
La presin tendr un comportamiento lineal con la profundidad.
La presin manomtrica ser proporcional a la profundidad.
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La presin en la cara superior del cuerpo es menor que la presin en la cara inferior. La resta de las dos da como resultado la FUERZA BOYANTE.
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Luego entonces, la fuerza boyante ser igual al peso del volumen de agua desplazado. Dicha fuerza se ubica en el CENTROIDE del volumen sumergido.
El volumen sumergido es menor que el volumen del cuerpo
El volumen sumergido es igual al volumen del cuerpo
El volumen sumergido es igual al volumen del cuerpo
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EJEMPLO 1 Un peso de 5 lb es colocado al final de una viga
uniforme de madera y la hace flotar con un ngulo como se ve en la figura. Determine el ngulo y la gravedad especfica de la madera.
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Paso 1. Diagrama de cuerpo libre
1 = =
1 = 62.4
31
29 4
1
12 = 93.6
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Paso 1. Diagrama de cuerpo libre
2 = =
2 = 62.4
39 4 4
1
12
2
= 62.4
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Paso 1. Diagrama de cuerpo libre
= =
= 62.4
39 4 4
1
12
2
= 62.4
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= 0 2 1 5 = 0
62.4 93.6
62.4 5 = 0
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= 0
1 cos 6 + 1 sin
3+ cos 4.5 + sin 2
2 cos 4.5 2 sin 2 = 0
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= 0
1 cos 6 + 1 sin
3+ cos 4.5 + sin 2
2 cos 4.5 2 sin 2 = 0
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1 6 + 4.5 2 4.5 = 0
561.6 + 280.8 280.8 = 0
Si el ngulo es muy pequeo, entones el seno es aproximadamente 0 y el coseno es aproximadamente 1.
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= 0 62.4 93.6
62.4 5 = 0
= 0 561.6 + 280.8 280.8 = 0
= 0.16 = 0.68
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ESTABILIDAD
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QU ES ESTABILIDAD?
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CUNDO UN CUERPO SUMERGIDO SE ENCUENTRA EN UNA CONDICIN ESTABLE?
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ESTABILIDAD
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ESTABILIDAD Se inicia con un cuerpo sumergido, lo que est por debajo del eje x es lo que se encuentra bajo el agua.
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ESTABILIDAD
El cuerpo ahora se gira un poco hacia la derecha y queda como en la Figura.
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El nuevo centroide B es el centroide del rea sumergida.
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Un cuerpo siempre es estable cuando la distancia GB es negativa.
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ECUACIN DE CONSERVACIN DE LA MASA
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LINEAS DE CORRIENTE
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LINEA DE CORRIENTE
Las lneas de corrientes son lneas que describen la trayectoria del fluido en las que el vector velocidad es tangente a la trayectoria.
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TUBO DE CORRIENTE
Un tubo de corriente es un haz de lneas de corrientes.
Un tubo de corriente define la trayectoria del fluido.
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TUBO DE CORRIENTE
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SISTEMA
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SISTEMA CERRADO
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VOLUMEN DE CONTROL
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CANTIDADES QUE SE CONSERVAN EN UN SISTEMA
MASA
CANTIDAD DE MOVIMIENTO
ENERGA
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CONSERVACION DE LA MASA
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MASA QUE ENTRA: FLUJO MSICO Y CAUDAL
= =
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MASA QUE ENTRA: FLUJO MSICO Y CAUDAL
= rea de entrada Desplazamiento rea = =
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MASA QUE ENTRA: FLUJO MSICO Y CAUDAL
=
=
=
-
MASA QUE ENTRA: FLUJO MSICO Y CAUDAL
= Velocidad promedio de entrada
=
=
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MASA QUE ENTRA: FLUJO MSICO Y CAUDAL
=
A esta expresin se le llama flujo volumtrico o caudal.
=
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VELOCIDAD PROMEDIO
La velocidad de las partculas depende de la posicin
Se asume que todas las partculas tienen la misma velocidad
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MASA QUE ENTRA: FLUJO MSICO Y CAUDAL
La anterior relacin es vlida slo si:
El flujo es perpendicular al rea
El fluido es incompresible
Si lo anterior no se cumple, el flujo msico y el caudal deben calcularse como se explica en la diapositiva siguiente.
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MASA QUE ENTRA: FLUJO MSICO Y CAUDAL
=
Superficie de control
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VELOCIDAD PROMEDIO
Superficie de control
=1
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ESTADO ESTACIONARIO
En el estado estacionario se dice que el sistema est estable, luego las propiedades del sistema no varan con el tiempo.
= 0
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ESTADO ESTACIONARIO
Si la propiedad a considerar es la masa del sistema:
Si no se acumula masa en el sistema:
= 0
=
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ESTADO ESTACIONARIO
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ECUACIN DE BERNOULLI
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ACELERACION DE UNA PARTICULA
Si se asume estado estacionario:
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ACELERACION DE UNA PARTICULA
Como la velocidad en el estado estacionario vara solo con la posicin:
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BERNOULLI PARA FLUJO ESTACIONARIO E INCOMPRESIBLE
Vlido entre dos puntos de una misma lnea de corriente.
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CONSERVACION DE LA ENERGA
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BALANCE DE ENERGA
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ENERGA QUE ENTRA Y ENERGA QUE SALE
La energa puede entrar y salir de tres formas:
Calor
Trabajo
Trabajo de flujo
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CALOR
El calor se transfiere por 3 mecanismos:
Conduccin
Conveccin
Radiacin
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TRABAJO
El trabajo es la energa que es transferida por medio de una fuerza
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TRABAJO DE FLUJO
Es la energa que se transfiere por el movimiento del fluido.
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TRABAJO DE FLUJO
Un fluido esttico tiene energa debido a su temperatura, debido a su velocidad y debido a su posicin.
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TRABAJO DE FLUJO
Un fluido en movimiento tiene energa debido a su presin, a su temperatura, debido a su velocidad y debido a su posicin.
La entalpa de un fluido se define como una propiedad de combinacin:
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ECUACIN DE ENERGA
Para la ecuacin de energa se parte de un balance de energa.
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ECUACIN DE ENERGA
Si el sistema est en estado estacionario, entonces la energa no se acumula. Luego:
La energa entra como trabajo, calor y flujo. Y sale como flujo.
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ECUACIN DE ENERGA: 1 entrada 1 salida
Dividiendo por el flujo msico:
Tomando la entrada como 1 y la salida como 2:
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ECUACIN DE ENERGA: 1 entrada 1 salida
Tomando el trmino de la derecha como la energa mecnica perdida:
Descomponiendo el trabajo de flecha como el trabajo de una bomba (que entra) y el trabajo de una turbina (que sale):
Agrupando trminos y definiendo entalpa como (h= u+Pv):
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Dividiendo entre la gravedad:
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ECUACIN DE ENERGA
Limitaciones de la ecuacin anterior:
Vlida para flujo estacionario
Vlida para fluidos incompresibles
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EJERCICIOS