laboratorio n° 01

5/24/2018 LABORATORIO N 01

1/10

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA CIVIL

ESCUELA DE INGENERA CIVILDEPARTAMENTO ACADMICO DE HIDRULICA E HIDROLOGA-DAHH

LINEA ACONDICIONAMIENTO TERRITORIAL PARA EL DESARROLLO

DETERMINACIN DEL CENTRO DE

PRESIONES Y ESTABILIDAD DE

CUERPOS FLOTANTES

CURSO :Mecnica de Fluidos I

DOCENTE :Ing. ROMERO MACHUCA, Fernando Moiss

SECCIN :K

INTEGRANTES :CONTRERAS ALARCN, Ronald Denniz 20084143B

CASHPA CAPCHA, Ruddy Andre 20111198H

VALDIVIA FARRO, Michael Jhonatan 20072111H

CICLO :2014-I

Lima, 28 de abril de 2014


2/10

2

ESTABILIDAD DE CUERPOS FLOTANTES

RESUMEN

El laboratorio sobre la estabilidad de cuerpos flotantes estuvo orientado a encontrar la relacin

entre la flotabilidad y estabilidad de cuerpos en el agua y la distancia entre el metacentro y el

centro de gravedad del mismo, misma relacin que contempla variar un ngulo determinado de

carena, el cual a su vez depende de la posicin de la masa vertical que se encuentra en el equipo

anexado a la masa vertical.

En el laboratorio se realizaron mediciones de las dimensiones del equipo, as como la toma dedatos sobre la experiencia, la cual consisti en variar la posicin de las masas, primero la vertical

para determinada altura, y luego esta ltima, y repetir el paso. Esto nos arroj un resultado

importante: la estabilidad y por tanto la flotabilidad de un cuerpo varia con distancia entre el

metacentro y el centro de gravedad. Dicha distancia vara con el ngulo de carena antes

mencionado. Esto puede observarse en la prctica ya que a medida que dicha distancia aumenta,

el equipo es ms inestable, no se puede equilibrar fcilmente para empezar a tomar medidas

horizontales.


3/10

3

INTRODUCCIN

El experimento de laboratorio sobre la estabilidad de cuerpos flotantes tuvo como objetivo el

estudiar y analizar la flotabilidad de cuerpos, as como las condiciones de estabilidad rotacional.

Para ello es necesario estudiar definiciones como metacentro, altura metacntrica, baricentro y

ngulo de carena. Asimismo, la experiencia sirvi para diferenciar los distintos tipos de estabilidad,

es decir, vertical, lineal y rotacional.

La estabilidad de un cuerpo flotante es de gran importancia en el mbito de la Mecnica de

Fluidos, lo que conlleva a ser de gran inters y estudio por la ingeniera, pues sta es la encargada

de disear las distintas estructuras hidrulicas presentes en diversas obras. Gracias al estudio de

esta teora se puede determinar la seguridad que tiene un cuerpo cuando se desplace por un

fluido sin volcarse sobre este. Un cuerpo flotante es estable siempre y cuando su centro de

gravedad est por debajo del metacentro, el que en el caso de rotacin (tal como se llev a caboen el experimento) vara de posicin, lo que conlleva a que dependiendo de cunto vare y que no

rompa la condicin de equilibrio antes mencionada, el cuerpo siga flotando. En la experiencia se

pudo observar cmo vara la estabilidad del cuerpo a medida que vaya rotando, lo que se verifica

con la teora. Con el conocimiento de la altura metacntrica y la ubicacin del centro de gravedad

se determinar si el equilibrio que presente el cuerpo es estable, inestable o diferente. Luego del

experimento se proceder a comparar resultados hallados tericamente.

Llevar a cabo la experiencia implic utilizar un aparato que consiste de un pequeo flotador

rectangular que incorpora pesos mviles que permite la manipulacin del centro de gravedad y la

inclinacin transversal, los resultados prcticos son tomados para la estabilidad de cuerposflotantes en diferentes posiciones, y estos son comparados con los resultados tericos.


4/10

4

MTODOS Y MATERIALES

El equipo consta de una barcaza rectangular de metal que flota libremente en agua y de un

vstago vertical soportado por cuerdas del que pende un hilo con plomada, que permite leer en

grados el ngulo de carena de la barcaza, el cual vara mediante el desplazamiento de una masa de

200 gr. a lo largo de un riel horizontal transversal a la barcaza.

El centro de gravedad puede variar por medio de una masa deslizable (de posicin) de 500 gr que

puede colocarse en diferentes posiciones a lo largo del vstago.


5/10

5

PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO

En el presente laboratorio se determin las alturas metacntricas, para diferentes posiciones del

centro de gravedad del cuerpo flotante.

Para la prctica el equipo consta de la barcaza, masa deslizante por un eje vertical y masa

deslizante por un eje horizontal. La masa deslizante vertical sirve para modificar la posicin del

centro de gravedad del cuerpo flotante.

La masa horizontal es la que determina la variacin de la posicin del centro de empuje. El centro

de gravedad, por su parte, siempre pasa por el eje de simetra del sistema.

El procedimiento a seguir es el siguiente:

a) Registrar los pesos de la barcaza (W), el peso deslizante (mh), el peso ajustable, el largo y anchode la barcaza.

b) Definir un sistema de coordenadas ubicado en el cruce de los ejes de deslizamiento de las

masas, siendo X el deslizamiento horizontal e Y el deslizamiento vertical desde este punto.

c) Cada posicin del centro de gravedad del cuerpo flotante o Sistema se fija con la pesa que se

desliza por la barra vertical (perpendicular a la base del cuerpo). A este desplazamiento vertical

se denomina Y.

d) Colocar la masa vertical en una determinada posicin, anotando el valor de Y, y se coloca la

masa horizontal en el origen de coordenadas. El ngulo que forma el pndulo en el

transformador o ngulo de carena

debe de ser cero para esta posicin,

girando la masa vertical en caso

contrario hasta ubicarlo en el origen.

e) Deslizar la masa horizontal con apoyo

de la regla horizontal hasta colocarla

en una determinada posicin. Se

anota la posicin X y el ngulo de

carena una vez alcanzado el

equilibrio.

f) Repetir el paso anterior cuantas

veces se crea conveniente (tres

mnimo). En el experimento llevado a

cabo se realiz 7 veces.

g) Variar la posicin del centro de

gravedad deslizando la masa vertical,

repitiendo el paso tres y cuatro


6/10

6

nuevamente.

RESULTADOS Y DISCUSIN

CUESTIONARIO

a) Realice la deduccin de las frmulas necesarias

b) Definir los siguientes trminos:

Cuerpo flotante

Masa que permanece en reposo en el nivel de agua. Esto debido al Principio de Arqumedes, el

cual explica la fuerza de empuje que permite al cuerpo permanecer en el agua estable y sin

volcarse. Un cuerpo en un fluido es considerado estable si regresa a su posicin original despus

de habrsele girado un poco alrededor de un eje horizontal. Las condiciones para la estabilidad

son diferentes para un cuerpo completamente sumergido y otro parcialmente sumergido (se

encuentra flotando). Los submarinos son un ejemplo de cuerpos que se encuentran

completamente sumergidos en un fluido. Es importante, para este tipo de cuerpos, permanecer en

una orientacin especfica a pesar de la accin de las corrientes, de los vientos o de las fuerzas de

maniobra.

Plano de flotacin

Sea un slido flotando en un lquido. El plano interseccin del slido con la superficie libre del

lquido se le llama plano de flotacin.

El hecho de que cambie la posicin del slido respecto del lquido es un problema de movimiento

relativo, por lo que ser lo mismo cambiar el slido de posicin y dejar el lquido quieto y mover el

lquido. Con lo cual, como se puede observar en la figura se puede cambiar o girar el plano de

flotacin para representar el movimiento del cuerpo.

Lnea de flotacin


7/10

7

La lnea de flotacin es la lnea formada por la interseccin del plano formado por la superficie del

agua con el casco de un barco; separando la parte sumergida (obra viva), de la que no lo est (obra

muerta). Es variable en funcin de la carga, de las caractersticas del agua, de laestiba y de otros

factores. No hay que confundirla con la lnea de carga o francobordo.

En trminos coloquiales, la expresin "lnea de flotacin" suele referirse a aquello sobre lo que seasienta un concepto o un sistema determinado.

Centro de flotacin

El punto sobre el que puede considerarse que actan todas las fuerzas que producen el efecto de

flotacin se llama centro de flotacin, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado.

El centro de flotacin de un cuerpo que flota est situado exactamente encima de su centro de

gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.

El principio deArqumedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan

irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y

luego en el agua, la diferencia de peso ser igual al peso del volumen de agua desplazado, y este

volumen es igual al volumen del objeto, si ste est totalmente sumergido. As puede

determinarse fcilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen) Si se requiere una

precisin muy elevada, tambin hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener

el volumen y la densidad correctos.

Eje de Flotacin

El eje sobre el que acta la fuerza de flotacin est representado por la lnea vertical AA que

pasa por el punto CF.

Vamos a suponer que el cuerpo tiene una distribucin de masas homognea, por lo que el centro

de gravedad CG estar ubicado en el centro geomtrico del volumen total del cuerpo (V). El eje

vertical del cuerpo est representado por la lnea BB y pasa por el punto CG.

Cuando el cuerpo est en equilibrio, los ejes AA y BB coinciden y la fuerza de flotacin y el peso

actan sobre la misma lnea vertical, por tanto son colineales, como muestra la figura.
http://es.wikipedia.org/wiki/Estibahttp://www.monografias.com/trabajos32/pascal-arquimedes-bernoulli/pascal-arquimedes-bernoulli.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos32/pascal-arquimedes-bernoulli/pascal-arquimedes-bernoulli.shtmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Estiba


8/10

8

Carena

En el mbito de Mecnica de Fluidos, carenase denomina al volumen sumergido debajo

del nivel de agua, el cual es equivalente al volumen de agua desplazado por la masa en

cuestin.

Desplazamientos

Los desplazamientos llevados a cabo en el laboratorio fueron tanto verticales como horizontales.

Los primeros se llevaron a cabo en la masa vertical del equipo, mientras que los segundos por la

masa horizontal que se desplazaba mediante el eje que reposaba en el cruce de ambas masas.

Dichos desplazamientos fueron registrados mediante reglas en los dos ejes.

Centro de carena o centro de empuje

Centro de carena es el centro de gravedad del volumen deagua desplazado por un flotador, para

una condicin dada. Tambin se conoce con el nombre de centro de empuje, ya que es con fines

de estabilidad donde se considera aplicada dicha fuerza.

Se representa con la letra C y en algunas publicaciones con la letra B para equipararlo al "center of

buoyancy" del ingls.

Dado el movimiento delbuque en las olas, la posicin del centro de carena es variable y depende

de la forma y volumen de casco sumergido en ese instante.

La curva en el plano trasversal que describe el centro de carena para los diferentes ngulos de

rolido, se denomina Curva del centro de carena y sus radios: Radios de curvatura.
http://es.wikipedia.org/wiki/Aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Buquehttp://es.wikipedia.org/wiki/Buquehttp://es.wikipedia.org/wiki/Agua


9/10

9

Empuje

La fuerza de empuje es una fuerza que aparece cuando se sumerge un cuerpo en un fluido. El

mdulo de sta viene dado por el peso delvolumen del fluido desalojado.

Se produce debido a que lapresin de cualquierfluido en un punto determinado depende

principalmente de la profundidad en que ste se encuentre (en otras palabras, a la cantidad de

fluido que tenga encima).

Esta presin ejerce una fuerza sobre cualquier cuerpo sumergido en el fluido y tiene la propiedad

ser perpendicular a la superficie del cuerpo.

c) Graficar para cada posicin: X vs. H en una sola grfica. Qu conclusiones puede obtener de

la grfica?

d) Podra ubicar para cada caso el Centro de Gravedad del Sistema?

e) Traficar la familia de curvas Y vs. H para diferentes desplazamientos X en una sola grfica.

Qu puede decir de este grfico?

f) Cules son las aplicaciones en el campo en la Ingeniera Civil que se le puede dar a la

ubicacin de la altura metacntrica?

g) Diga ud. cul es el lmite de un cuerpo estable e inestable.

h) Conclusiones

i) Definir los siguientes conceptos a fines a la flotacin: cuerpo flotante, plano de flotacin,

lnea de flotacin, flotacin, centro de flotacin, eje de flotacin, carena, centro de carena o

centro de empuje, empuje.

j) Graficar la variacin del radio metacntrico vs. el ngulo de carena en abscisas y en gradossexagesimal para diferentes posiciones del centro de gravedad.

k) Graficar la curva de la distancia metacntrica vs. el ngulo de carena para condiciones

similares al del caso anterior.

l) Definir los siguientes conceptos a fines a la flotacin: cuerpo flotante, plano de flotacin,

lnea de flotacin, flotacin, centro de flotacin, eje de flotacin, carena, centro de carena o

centro de empuje, empuje.

m)Graficar la variacin del radio metacntrico vs. el ngulo de carena en abscisas y en grados

sexagesimal para diferentes posiciones del centro de gravedad.

n) Graficar la curva de la distancia metacntrica vs. el ngulo de carena para condiciones

similares al del caso anterior.
http://es.wikipedia.org/wiki/Volumenhttp://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Volumen


10/10

10

CONCLUSIONES

La prctica de laboratorio arroj las siguientes conclusiones:

La estabilidad de los cuerpos flotantes vara directamente con la distancia entre dos puntos: el

metacentro y el centro de gravedad, pues la condicin para la estabilidad de dichos cuerpos es

que son estables si su centro de gravedad (G) est por debajo del metacentro (M). Esto se

comprob en el mismo laboratorio al observar que a medida que dicha distancia va aumentando,

ms inestable es el equipo, pues tiende a inclinarse con mayor facilidad.

El ngulo de carena, el cual es formado por la vertical que pasa por el metacentro, y la lnea que

une dicho punto con el centro de gravedad, indica la estabilidad de cuerpos flotantes, pues a

medida que dicho ngulo vare tambin lo hace la distancia entre los puntos antes mencionados.

A medida que se desplaza la masa vertical, por la inestabilidad explicada anteriormente, es ms

difcil conseguir equilibrio para poder comenzar a medir las distancias horizontales y el ngulo de

carena, por lo que los datos no son tan acertados.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Pginas Web:

es.wikipedia.org

www.almazan-ingenieros.es

www.unet.edu.ve

ANEXOS

laboratorio n° 01

Documents