TEORIA
Y PROBLE]I,|AS
NI
F
DOS
E HIDRAULICA
PROBTE]I|AS RESIJEI.TOS
/
t,vr¡,o,RTADOR
¡,'
4e4/?ü
SERIE DE COMPENDIOS SCHAUM
TEORIA Y PROBLEMAS
MECANICA DE LOS FLUIDOS
E HIDRAULICA
SEGUNDA EDICION
RANALD V. GILES, B. S., M. S. en C.
Professor of Ciuil Engineering
Drexel Institute of Technology
TRADUCCION
J¡.rrr.r¿
Y
ADAPTACION
MoNnve MoNnvl
Ingeniero de Armamento y Material
Licencíado en Ciencias
Profesor de Ia Escuela Politécnica Superior, Madrid
o
LIBROS McGRAW-HILL
PANAMA MEXICO
NEW YORK
LONDON TORONTO SYDNEY JOHANNESBURG
E.
oaí
Derecho de propiedad Registrado en 1969 @ por McGraw-Hill,
Todos los Derechos Reservados. Impreso en Colombia.
Queda terminantemente prohibido reproducir este libro
total o parcialmente sin permiso expreso de los editores.
9r575
IMPRESO EN COLOMBIA
PRINTED IN COLOMBIA
lnc
Prólogo
Este libro ha sido concebido con el principal propósito de complementar los textos ordinarios
de mecánica de los fluidos e hidráulica. Se basa en la convicción del autor de que el esclarecimiento y
comprensión de los principios fundamentales de cualquier rama de la mecánica se obtienen mejor mediante numerosos ejercicios ilustrativos.
La anterior edición de este libro ha sido acogida muy favorablemente. En esta segunda edición,
muchos de los capítulos han sido revisados y adicionados con objeto de poner al día determinados temas
de acuerdo con los más recientes conceptos, métodos y terminología. Se ha dedicado especial atención
al análisis dimensional recogiendo los nuevos materiales en el Capítulo 5. La revisión más extensa se
ha llevado a cabo en los capítulos que tratan los fundamentos del flujo de fluidos, flujo de fluidos en
tuberías y flujo en canales abiertos.
La materia se divide en capítulos que abarcan áreas bien definidas de teoria y estudio. Cada capítulo se inicia con el establecimiento de las definiciones pertinentes, principios y teoremas, junto con
el material ilustrativo y descriptivo al que sigue una serie de problemas resueltos y problemas propuestos. Los problemas resueltos ilustran y amplían la teoría, presentan métodos de análisis, proporcionan ejemplos prácticos e iluminan con aguda perspectiva aquellos aspectos de detalle que capacitan
al estudiante para aplicar los principios fundamentales con corrección y seguridad. El análisis del cuerpo
libre, los diagramas vectoriales, los principios de trabajo y energía de la cantidad de movimiento y las
leyes de Newton se utilizan a lo largo de todo el libro. No se ha regateado esfuerzo para presentar problemas originales desarrollados por el autor en los largos años dedicados a la enseñanza de esta materia. Entre los problemas resueltos se incluyen numerosas demostraciones de teoremas y deducciones
de fórmulas. El elevado número de problemas propuestos asegura un repaso completo del material
de cada capítulo.
Los alumnos de las Escuelas de Ingeniería reconocerán la utilidad de este libro al estudiar la mecánica de los fluidos y, adicionalmente, aprovecharán la ventaja de su posterior empleo como libro de
referencia en su práctica profesional. Encontrarán soluciones muy detalladas de numerosos problemas
prácticos y, cuando lo necesiten, podrán recurrir siempre al resumen de la teoría. Asimismo, el libro
puede servir al ingeniero profesional que ha de recordar esta materia cuando es miembro de un tribunal examinador o por cualesquiera otras razones.
Deseo expresar mi agradecimiento a mi colega Robert C. Stiefel, que ha comprobado cuidadosamente la solución de muchos de los nuevos problemas. También he de expresar mi gratitud a la redacción de la Schaum Publishing Company y, muy particularmente, a Henry Hayden y Nicola Miracapillo,
por sus inestimables sugerencias e inapreciable cooperación.
RANALD V. GILES
Philadelphia,
Junio
1962
Pa.
Tabla de materias
Páginas
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS. . .
Capitulo
'
La mecánica de los fluidos y la hidráulica. Definición de fluido. Sistema técnico de unidades. Peso específico. Densidad de un cuerpo. Densidad relativa de
un cuerpo. Viscosidad de un fluido. Presión de vapor. Tensión superficial.
Capilaridad. Presión de un fluido. La presión. Dilerencia de presiones. Variaciones de la presión en un fluido compresible. Altura o carga de presión á.
Módulo volumétrico de elasticidad (E). Compresión de los gases. Para condiciones isotérmicas. Para condiciones adiabáticas
baciones en la presión.
2
1
o isoentrópicas. Pertur-
",,,
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
Introducción. Fuerza ejercida por un líquido sobre un área plana. Tensión
circunferencial o tangencial. Tensión longitudinal en cilindros de pared delgada.
3
EMPUJE Y FLOTACION
Principio de Arquímedes. Estabilidad de cuerpos sumergidos
4
36
y
flotantes
TRASLACION Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS.
Introducción. Movimiento horizontal. Movimiento vertical. Rotación
42
de
masas fluidas. Recipientes abiertos. Rotación de masas fluidas. Recipientes
cerrados.
Capítulo
J
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA.
50
Introducción. Análisis dimensional. Modelos hidráulicos. Semejanza geométrica. Semejanza ci¡emática. Semejanza dinámica. La relación entre las fuerzas de inercia. Relación de las fuerzas de inercia a las de presión. Relación de
las fuerzas de inercia a las viscosas. Relación de las fuerzas de inercia a las
gravitatorias. Relación de las fuerzas de inercia a las elásticas. Relación de
las fuerzas de inercia a la de tensión suoerficial. Relación de tiemoos.
6
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
Introducción. Flujo de fluidos. Flujo permanente. Flujo uniforme. Líneas de
corriente. Tubos de corriente. Ecuación de continuidad. Red de corriente.
Ecuación de la energía. Altura de velocidad. Aplicación del teorema de Bernoulli. Línea de energías o de alturas totales. Línea de alturas piezométricas.
Potencia.
70
TABLA DE MATERIAS
Páginas
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
Capitulo
96
Introducción. Flujo laminar. Velocidad crítica. Número de Reynolds. Flujo
turbulento. Tensión cortante en Ia pared de una tubería. Distribución de
velocidades. Pérdida de carga en flujo laminar. Fórmula de Darcy-Weisbach.
Coeficiente de fricción. Otras pérdidas de carga.
Capíhrlo 8
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN
PARALELO Y RAMIFICADAS
rl5
Sistemas de tuberías. Sistemas de tuberías equivalentes. Sistemas de tuberías
compuestas o en serie, en paralelo y ramificadas. Métodos de resolución.
Fórmula de Hazen-Williams.
Capíhrlo
9
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS.
Introducción. Tubo de Pitot. Coeficiente de descarga. Coeficiente de velocidad. Coeficiente de contracción. Pérdida de carga. Vertederos de aforo. Fórmula teórica de un vertedero. Fórmula de Francis. Fórmula de Banzin. Fórmula
de Fteley y Stearns. Fórmula del vertedero triangular. La fórmula del vertedero trapezoidal. Para presas empleadas como vertederos. El tiempo de
vaciado de depósitos. El tiempo para establecer el flujo.
Capíhrlo
I0
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
Canal abierto. Flujo uniforme y permanente. Flujo no uniforme. Flujo lamrnar. La fórmula de Chezy. El coeficiente C. El caudal Q. La pérdida de carga.
Distribución vertical de la velocidad. Energía específica. Profundidad crítica.
Caudal unitario máximo. En canales no rectangulares y para un flujo crítico.
Flujo no uniforme. Los vertederos de aforo de pared gruesa. Resalto hidráulico.
Capítulo 11
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN
MOVIMIENTO
Introducción. El principio de impulso-cantidad de movimiento. El coeficiente
de corrección de la cantidad de movimiento. Resistencia. Sustentación. Resrs-
tencia total. Coeficientes de resistencia. Coeficientes de sustentación. Número
de Mach. Teoria db la capa limite. Placas planas. Golpe de ariete. Veloci-
dades supersónicas.
Capítulo
12
MAQUINARIA HIDRAULICA
Maquinaria hidráulica. En el caso de rodetes. Ruedas hidráulicas, bombas y
soplantes, Velocidad específica. Rendimiento. Cavitación. Propulsión por hélices. Los coeficientes de la hélice.
225
TABLA DE MATERIAS
APENDICES
Tabla
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Páginas
Propiedades aproximadas de algunos gases..
Densidad relativa y viscosidad cinemática de algunos líquidos
Coeficiente de fricción f para agua solamente. . . . .
Pérdidas de carga en accesorios
Valores de K*. Contracciones y ensanchamientos..
Algunos valores del coeficiente C, de Hazen-Williams.
Coeficientes de desagüe para orificios circulares de arista viva. . . . . . .
Algunos factores de expansión Y para flujo...
Algunos valores medios de n empleados en las fórmulas de Kutter y de
Manning y de m en la fórmula de Bazin.
10. Valores de C de la fórmula de Kutter.
11. Valores del factor de descarga K para canales trapezoidales
12. Valores del factor de descarga K' para canales trapezoidales
13. Areas de círculos
14. Pesos v dimensiones de tuberías de fundición
246
247
248
249
250
250
251
252
252
253
254
255
256
256
DIAGRAMAS
Diagramas
A-2.
B.
C.
D.
E,
F.
G.
H.
TNDICE
coeficientes de fricción f .. ........
Diagrama de Moody modificado para coeficientes de fricción /
(solución directa para el flujo O).
Nomograma de caudales, fórmula de Hazen-Williams (Ct : 100).
Coeficiente para orificios medidores
Coeficientes para boquillas de aforo
Coeficientes para venturímetros. .
Coeficiente de resistencia en función de Rr.
Coeficientes de resistencia para placas planas y lisas...
Coeficientes de resistencia a velocidades supersónicas
l-1. Diagrama de Moody para
257
258
259
260
261
262
263
264
265
261
SIMBOLOS Y ABREVIATURAS
En la siguiente lista se da el significado de las letras empleadas en este libro. Por la limitación del alfabeto es
imposible evitar la utilización de la misma letra para representar más de una magnitud. Como cada símbolo se define
al introducirlo por primera vez, no existe confusión posible.
a
/
b
c
aceleración en m/seg2, área en m2
hp
potencra en caballos
de vapor (CV) :
wQHl75
área en m2
longitud de un vertedero en m, anchura en
la superficie libre del agua en m, anchura
de solera de un canal abierto en m
I
momento de inercia en mo o cmo
1,,
producto de inercia en ma o cma
k
del sonido)
relación de los calores específicos, exponen-
te isoentrópico (adiabático), constante
coeficiente de desagüe o descarga, celeridad
de la onda de presión en m/seg (velocidad
de
Von Karman
K
coeficiente de desagüe en canales trapezoidales, coeficiente de pérdida de carga en
cc
coeficiente de contracción
cu
coeficiente de velocidad
C
coeficiente de Chezy, constante de integración
K,
CG
centro de gravedad
I
longitud de mezcla en m
f
longitud en m
LE
longitud equivalente en m
m
coeficiente de rugosidad en la fórmula de
Bazin, coeficiente de vertedero en presas
M
masa en UTM (unidad técnica de masa) o
kg seg2/m, peso molecular
n
coeficiente de rugosidad, exponente, coeficiente de rugosidad en las fórmulas de Kutter y de Manning
N
velocidad de rotación en rpm
ensanchamientos, constante
ce
centro de presión, coeficiente de potencia
en hélices
CD
coeficiente de arrastre
CF
coeficiente de empuje en hélices
CL
coeficiente de sustentación
CT
coeficiente del par en hélices
c1
coeñciente de Hazen-Williams
cfs
pies cúbicos por segundo
d,D
diámetro en m
D1
diámetro unitario en cm
Dr
densidad relativa
e
rendimiento
E
módulo de elasticidad volumétrico en kg/m2,
en kg/cm2 o en kg/mm2, energía específica
en kgm/kg
J
o
resistencia
velocidad especifica en rpm
velocidad unitaria en rpm
NF
factor o coeficiente de rozamiento de Darcy
en flujo en tuberías
F
g
fuerza en kg, empuje en kg
aceleración de la gravedad
JZ.r
gpm
h
H
:
9,81 m/seg'z
)
ples/seg-
-
galones americanos por minuto
altura de carga en m, altura o profundidad
en m, altura o carga de presión en m
altura o carga total (energía por unidad de
peso)enmokgm/kg
H, h"
pérdida de carga en
designa por LH)
de pérdida de carga en contrac-
::."L"1.*.
m
(algunas veces
número de Froude
número de Mach
Nv
número de Weber
p
presión
p'
presión en k!/cm2
P
fuerza en kg, potencia en kgm/seg
D
potencia uritaria en kgm/seg
psf
libras/pie'? (lb/ft'?)
psla
fibras/pulgada'z (lblin2), absoluta. En el sistema técnico europeo kg/cm'? (ab)
psrg
lb/in2, manométrica. En el sistema técnico europeo simplemente kglcm2
q
caudal por unidad de anchura en m3/seg
por unidad de anchura
o
caudal en volumen en m3/seg
se
el
kglm2, perímetro mojado en m
SIMBOLOS Y ABREVIATURAS
o caudal unitario en
descarga
r
radio en m
ro
radio de una tubería en m
R
constante de los gases, radio hidráulico en m
RE
s
Dr
velocidad
V
velocidad media en m/seg (o como venga
definida)
número de Reynolds
v"
velocidad crítica en m/seg
pendiente de la línea de alturas piezométricas, pendiente de la línea de alturas totales
w
peso específico en kg/m3
W
peso en kg, caudal en peso
la solera de un canal
,so
pendiente de
t
tiempo en seg, espesor en cm, viscosidad
en grados Saybolt
T
u
temperatura, par en mkg, tiempo en
rD
r;
:
wQ enkglseg
distancia en m
seg
velocidad periférica de un elemento que está
girando en m/seg
u, u,
: llw en m3lkg
de corte : Jrt, en m/seg
volumen específico
mr/seg
Q.
v
proflundidad en m. distancia en m
!"
profundidad crítica en m
ln
profundidad normal en m
Y
coeficientes de expansión en flujos compresibles
componentes de la velocidad en las direc-
cionesX,YyZ
z
volumen en m3, velocidad local en m/seg,
velocidad relativa en maquinaria hidráuli-
o cota
elevación, altura topográfica
(car-
ga) en m
Z
ca en m/seg
altura de la cresta de un vertedero
la solera del canal en m
sobre
a (alfa)
ángulo, coeficiente de corrección de la energía cinética
ángulo, coeficiente de corrección de la cantidad de movimiento
espesor de la capa límite en m
término correctivo del flujo
e (épsilon) rugosidad superficial en cm
n @ta) viscosidad de remolino
0 (theta) ángulo genérico
p (mi)
viscosidad absoluta o dinámica en kg seg/m2 (o en poises)
viscosidad cinemática : plp en m2/seg (o en stokes)
v (ni)
parámetro adimensional
n (pi)
p (ro)
densidad : ülg en kg seg2/ma o UTM/m3
o (sigma) tensión superficial en kg/m, tensión o esfuerzo normal en kg/cm2
r (tau) tensión o esfuerzo cortante o tangencial en kg/m2
coeficiente de velocidad, potencial de velocidad, relación
d (fi)
ú (psil función de corriente
co (omega) velocidad angular en rad/seg
@eta)
ó (delta)
A (delta)
B
FACTORES DE CONVERSION
1 pie cúbico (ft3) : 7,48 galones americanos : 28,32 litros
I galón americano : 8,338 libras de agua a 60' F : 3,7854 litros
1 pie cúbico por segundo : 0,646 millones de galones por día : 448,8 galones por minuto
1 libra-segundo por pie cuadrado (p) : 478,7 poises : 4.88 kg seg/m2
I
poise
: I glcm seg :
l/98.1 kg
seg/m2
1 pie cuadrado por segundo (v) : 929 stokes (cm2/seg¡
t horsepower (HP) : 550 pieJibras por segundo : 0,746 kilovatios : 1,014 caballos de vapor (CV)
I caballo de vapor (CV) : 75 kgm/seg : 0,736 kilovatios (kW) : 0,986 horsepower (HP)
760 mm Hg : ¡O pulgadas de mercurio (in Hg)
: 34 pies de agua (ft HrO)
: 14,7 libras por pulgada cuadrada 1lb/in'z;
I
I
: 1,033 kglcm2 : I Atm (atmósfera fisica)
: I at (atmósfera técnica) : 0,9678 Atm : 14,22 lblin2
por pie cuadrado (lb/ft'? o Rsf) : 4,33 ¡tr-'
kg/cm'z
libra
:
7ó kgrn/seg
Capítulo
1
Propiedades de los fluidos
LA MECANICA DE LOS FLUIDOS Y LA HIDRAULICA
La rama de la mecánica aplicada que estudia el comportamiento de los fluidos ya sea en reposo
o en movimiento constituye la mecánica de los fluidos y la hidráulica. En el desarrollo de los principios
de la mecánica de los fluidos algunas de las propiedades de los fluidos juegan un papel preponderante,
mientras que otras o influyen muy poco o nada. En la estática de los fluidos, el peso específico es la propiedad importante, mientras que en el flujo de fluidos la densidad y la viscosidad son las que predominan. Cuando tiene lugar una compresibilidad apreciable es necesario considerar los principios de
la termodinámica. Al intervenir presiones manométricas negativas la tensión de vapor pasa a ser importante y la tensión superficial afecta a la estática o cinemática de los fluidos cuando las secciones de
paso son pequeñas.
DEFINICION DE FLUIDO
Los fluidos son sustancias capaces de <fluir> y que se adaptan a la forma de los recipientes que los
contienen. Cuando están en equilibrio, los fluidos no pueden soportar fuerzas tangenciales o cortantes.
Todos los fluidos son compresibles en cierto grado y ofrecen poca resistencia a los cambios de forma.
Los fluidos puedeu dividirse en líquidos y gases. Las diferencia,s esenciales entre líquidos y gases
son (a) Ios líquidos son práclic¡mente incompresibles y los gas€s Éon compresibles, por lo que en muchas
ocasiones hay que fratarlqs ppr¡g gales y (ó) los líquidos @uBan un volu¡trcn definido y tienen superfrcies libres rnientras qu€ unl masa dad'ade ga$ se expansiona hasta ocupar todas las partes del recipiente
que
lg
contenga.
SISTEMA TECNICO DE UNIDADES
Las magnitudes fundamentales seleccionadas son la longitud, fuerza y tiempo. Las tres unidades
fundamentales correspondientes son el metro para la longitud, el kilogramo fuerza (o kilogramo peso)
y el segundo. Las otras unidades pueden deducirse a partir de éstas. Así, la unidad de volumen es el m3,
la unidad de la aceleración el m/seg2, la de trabajo el kgm y la unidad de presión elkglm2. Algunos datos
pueden venir dados en otras unidades y deben convertirse al sistema metro-kilogramo fuerza-segundo
antes de aplicarlos a la solución de los problemas.
La unidad de masa en este sistema, la UTM (unidad técnica de masa), se establece a partir de las
unidades de fuerza y de aceleración. Para un cuerpo que cae en el vacío la aceleración a que está sometido es la de la gravedad (g : 9,81 m/seg2 al nivel del mar) y la única fuerza que actúa es su peso.
A partir del segundo principio de Newton,
fuerza en kg - masa en UTM x aceleración en m/seg2
De aquí
o
:
masa M en UTM :
peso en kg
masa en
UTM x 9(9,81 m/seg2)
P:=to=,II'"3 E
9(9,81 m/seg2)
(1)
l
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
[cAP.
1
PESO ESPECIFICO
El peso específico ru de una sustancia es el peso de la unidad de volumen de dicha sustancia. En
los líquidos, ru puede considerarse constante para las variaciones ordinarias de presión. El peso específico del agua para las temperaturas más comunes es de 1000 kg/mt. Véase el Apéndice, Tablas 1(C)
y 2, para valores adicionales.
Los pesos específicos de los gases pueden calcularse mediante la ecuación de estado de los gases o
pls
D
fL
T
dondep
es
la presión absoluta en kg/m2,
(leyes de Charles
u" el vólumen específico o volumen ocupado
m'lkg, Zla temperatura absoluta en grados Kelvin ("K': "C +
en m/'K. Como w : Ilu", la ecuación anterior puede escribirse
peso en
:
por la unidad de
273) y R la constante del gas
lJ
.'
il:=
DENSIDAD DE UN CUERPO p (ro)
(2\
y Boyle)
(3)
RT
rnaso por unidad de volumen
:
talg.
En el sistema técnico de unidades, la densidad del agua es 1000/9,80665 : 101,972 (- 102) UTM/m3
I glcm3 a4'C. Véase Apéndice, Tabla 1(C).
o kg seg2/ma. En el sistema cgs la densidad del agua es
DENSIDAD RELATIVA DE UN CUERPO
La densidad relativa de un cuerpo es un número adimensional que viene dado por la relación del
peso del cuerpo al peso de un volumen igual de una sustancia que se toma como referencia. Los sólidos
y líquidos se refieren al agua a 4" C, mientras que los gases se refieren al aire libre de CO, e hidrógeno a 0" C y Atm de presión, como condiciones normales. Por ejemplo,
densidad relativa de una sustancia
:
peso de la sustancia
peso de igual volumen de agua
(4)
peso específico de la sustancia
peso específico del agua
Asi, si la densidad relativa de un aceite es 0,750 su peso específico será 0,750(1000 kg/m3) : 750 kg/m..
La densidad relativa del agua es 1,00 y la del mercurio 13,57. La densidad relativa de una sustancia
viene dada por el mismo número en cualquier sistema de unidades. Véase Apéndice, Tabla 2.
VISCOSIDAD DE UN FLUIDO
La viscosidad de un fluido es aquella propiedad
que determina la cantidad de resistencia opuesta a las
fuerzas cortantes. La viscosidad se debe primordialmente a las interacciones entre las moléculas del fluido.
Con referencia a la Fig. 1-1, se consideran dos placas planas y paralelas de grandes dimensiones, separadas
una pequeña distancia /, y con el espacio entre ellas
lleno de un fluido. Se supone que la placa superior se
mueve a una velocidad constante U al actuar sobre ella
Fig. l-1
cAP. 1l
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
una fuerza 4 también constante. El fluido en contacto con la placa móvil se adhiere a ella moviéndose a la misma velocidad [/, mientras que el fluido en contacto con la placa fija permanecerá en reposo.
Si la separación y y la velocidad U no son muy grandes, la variación de las velocidades (gradiente) vendrá
dada por una línea recta. La experiencia ha demostrado que la fuerza F varia con el área de la placa,
con la velocidad U e invbrsamente con la separación y. Como por triángulos semejantes, Uly : dVldy,
tenemos
AU
dV
u
IG-4,
donde r : FIA: tensión o esfuerzo cortante.
llamada uiscosidad absoluta o dinámica.
Al introducir la constante
dVr_ o
.ip =
r = l¿¡
Las unidades de
¡.r
,on
kg--ttg,
m'
ya que
Fdv
"Adv
au
,-\F-l:1,,..: 9#
(m/seg)/m
m-
de proporcionalidad
p (mi),
(5)
dV/du
Los fluidos que siguen la relación (5)
se
llaman fluidos newtonianos (véase Problema 9).
Otro coeficiente de viscosidad, llamado uiscosidad cinemática, viene definido por
üscosidad cinemáüca
viscosidad absoluta
l'.!J
^
I'
scrn
m2
-'
y?
^.,^ (kg
v-'l
1t1/
wvl:,
n
seg, m2 )(m, seg2
Kg/m"
¡r
densidad
-ll
o
Las unidades de v
v (ni)l:
lt)
)
(6)
m2
seg
Las viscosidades en los manuales vienen dadas normalmente en poises y stokes (unidades del sistema cgs) y en ocasiones en grados o segundos Saybolt, a partir de medidas en viscosímetros. Algunas
conversiones de un sistema a otro de unidades se dan en los Problemas 6-8. En las Tablas I v 2 del
Apéndice se dan algunos valores de viscosidades.
En los líquidos la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, pero no se ve afectada apreciablemente por las variaciones de presión. La viscosidad absoluta de los gases aumenta al aumentar
la temperatura, pero casi no varía con la presión. Como el peso específico de los gases varía con la presión
(a temperatura constante), la viscosidad cinemática es inversamente proporcional a la presión. Sin embargo. de la ecuación anterior, lg: wv.
PRESION DE VAPOR
Cuando tiene lugar el fenómeno de la evaporación dentro de un espacio cerrado, la presión parcial
a que dan lugar las moléculas de vapor se llama presión de vapor. Las presiones de vapor dependen
de la temperatura, aumentando con ella. En la Tabla 1(C) se dan valores para el agua.
TENSION SUPERFICIAL
Una molécula en el interior de un líquido está sometida a la acción de fuerzas atractivas en todas
las direcciones, siendo la resultante nula. Pero si la molécula está en la superficie del líquido, sufre la
acción de un conjunto de fuerzas de cohesión, cuya resultante es perpendicular a la superficie. De aquí
que sea necesario consumir cierto trabajo para mover las moléculas hacia la superficie venciendo la
resistencia de estas fuerzas, por lo que las moléculas superficiales tienen más energía que las interiores.
La tensión superficial de un líquido es el trabajo que debe realizarse para llevar moléculas en número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de super-
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
[cAP. I
ficie (kgm/m2¡. Este trabajo es numéricamente igual a lafierza tangencial de contracción que actuara
sobre una línea hipotética de longitud unidad situada en la superficie (kg/m).
En la mayoría de los problemas presentados en las mecánicas de fluidos elementales la tensión
es de particular importancia. En la Tabla 1(C) se dan valores de la tensión superficial o (sigma) para el agua en contacto con el aire.
superficial no
CAPILARIDAD
La elevación o descenso de un líquido en un tubo capilar (o en situaciones fisicas análogas, tales
como en medios porosos) vienen producidos por la tensión superficial, dependiendo de las magnitudes relativas de la cohesión del líquido y de la adhesión del líquido a las paredes del tubo. Los líquidos
ascienden en tubos que mojan (adhesión > cohesión) y descienden en tubos a los que no mojan (cohesión > adhesión). La capilaridad tiene importancia en tubos de diámetros aproximadamente menores de 10 mm.
PRESION DE UN FLUIDO
La presión de un fluido se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y actúa normalmente a cualquier superficie plana. En el mismo plano horizontal, el valor de la presión en un líquido
es igual en cualquier punto. Las medidas de presión se realizan con los manómetros, que pueden ser
de diversas formas. De no advertir lo contrario, a través de todo el libro las presiones serán las presiones relativas o manométricas. La presión manométrica representa el valor de la presión con relación
a la presión atmosférica.
LA PRESION viene expresada por una fuerza dividida por una
P lkglm2l:
Cuando
la fuerza P
superficie. En general,
m,
actua uniformemente distribuida sobre una superficie, tenemos
(kg/m')
:iffi
P (kg)
,-, lKslcm"l:
,,.^t - 2.
rD \!\6/vrr¡,_Aqcm2¡
DIFERENCIA DE PRESIONES
La diferencia de presiones entre dos puntos a distintos niveles en un líquido viene dada por
- Pt :
w(h,
- ht)¡
en kglm2
(7)
:
peso específico de líquido (kg/mt) y hz - ftr : diferencia en elevación (m).
Si el punto 1 está en la superficie libre del líquido y /r es positiva hacia abajo, la ecuación anterior
donde ru
se transforma en
P:wh
[en kglm2 (man)]
(8)
Para obtener la presión en kgfcm2,
,pwh
P - rco--Tú
[en kg/cm2(man)]
(e)
Estas ecuaciones son aplicables en tanto que ru se mantenga constante (o varía tan ligeramente
con h, que no introduzca un error significativo en el resultado).
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
cAP. 1l
VARIACIONES DE LA PRESION EN UN FLUIDO COMPRESIBLE
Las variaciones de presión en un fluido compresible son, por lo general, muy pequeñas ya que los
pesos específicos son pequeños, como también lo son las diferencias en elevación consideradas en la
mayoría de los cálculos en la hidráulica. Cuando se han de tener en cuenta para pequeñas diferencias
en elevación dh, la Iey de variación de la presión puede escribirse en la forma
dp
: -w dh
(10)
El signo negativo indica que la presión disminuye al aumentar la altitud, con /r positiva hacia arriba.
En los Problemas 29-31 se dan aplicaciones de esta fórmula.
ALTURA O CARGA DE PRESION ¿
La altura de presión ft representa la altura de una columna de fluido homogéneo que dé la presión
dada. Así
h (m de nuido) :
MODULO VOLUMETRICO DE ELASTICIDAD
(ltl
ffi#j
(')
El módulo volumétrico de elasticidad expresa la compresibilidad de un fluido. Es la relación
la variación de presión a la variación de volumen por unidad de volumen.
dp' ks/cm2 :Kg,rcm2
^
E:'f,,
-clD/D m"/m"
de
(12)
COMPRESION DE LOS GASES
La compresión de los gases puede tener lugar de acuerdo con diversas leyes de termodinámica.
Para la misma masa de gas sujeta a dos estados diferentes,
P'!:\ly
7't = wR 'n
T'
donde
:
¿{, :
7:
p
J*
7t)tt
t
P¡ ,)
fu' : I¿
(13)
presión absoluta en kglm2, u : volumen en m3, W : peso en kg,
peso específico en kg/m3, R : constante del gas en m/oK,
temperatura absoluta en grados Kelvin (C + 273).
PARA CONDICIONES ISOTERMICAS (temperatura constante) la expresión anterior (13) se transforma en
'Pfl)t:PzLtzY#:#=constante(14)
También
Módulo volumétrico E
: p (en kg/m2)
(15)
PARA CONDICIONES ADIABATICAS O ISOENTROPICAS (sin intercambio de calor) las
ex-
presiones anteriores se convierten en
Pfll = p¿u.) v
(#)- = tt; =
constante
u6)
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
6
Tz
Tt
También
y
[cAP. I
¡4i1 ,r, r'.r
(17)
\pt)
Módulo volumétrico E
: kp (en kel^')
(18)
donde k es la relación de calores específicos a presión constante y a volumen constante.
bién exponente adiabático.
Se le llama tam-
La Tabla I(A) d,el Apéndice da algunos valores típicos de R y k.Para muchos gases, el producto
de R por el peso molecular es aproximadamente 848.
PERTURBACIONES EN LA PRESION
Cualquier perturbación en la presión de un fluido se propaga en forma de ondas. Estas ondas de
presión se mueven a una velocidad igual a la de propagación del sonido a través del fluido. La velocidad de propagación o celeridad, en m/seg, viene dada por
c : \/E/p
donde E viene medido en kgfmz. Para los gases,
U9)
la velocidad de sonido
6 = y1q/p = 1ñgilt
es
(20)
Problemas resueltos
ü f.
Calcular el peso específico w, elvolumen específico
u"
y la densid
ad,
p
del metano a 38" C y 8,50 kg/cm2
de presión absoluta.
Solución:
De la Tabla 1(,a) del Apéndice, R
Peso específic
:
o
53.
:
* : +:
RT #:,%
53(273 + 38)
volumen específico
Densidad
* 2.
,": :: *
:
o:*:5:r=1
' c 9,81 :o,szl
5,16 kglm3
0,194 m3/kg
urM/m3
Si 6 m3 de un aceite pesan 5080 kg, calcular su peso específico ru, densidad p y densidad relativa.
Solución:
Peso específico,
Densidad
5080
:
$ :
8¿8 kg/m3
ut/-',:86,5
p:wg :-t1?
y.ó l
Densidad relativa
m/seg-
:
*u"
: tot :
D^o
1000
urM/m3
o.ro,
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
cAP. 1l
¿é
3.
A
32" C y 2,10 kgf cm2, el volumen específico u" de cierto gas es 0,71 mt/kg. Determinar la constan-
te del gas R y su densidad
Solución:
p.
P,
P :Pu"- (2'10 x loa)(o'7l)
-hi q\'r\
RT R: wT T
273+32
I :'oJl I
: o'1436 urM/m3
,:!:W
9"81
c c
"
Como ru :
Densidad
* ¿. (n) Determinar la variación de volumen de 1 m3 de agua a27" C al aumentar la presión en2Lkglcm2
(ó) A partir de los siguientes datos experimentales determinar el módulo de elasticidad volumétrico del agua: a 35 kglcm2 el volumen era de 30 dm3 y a 250 kglcrn2 de 29,70 dm3.
.
Solución:
(a\
De la Tabla 1(C) del Apéndice, E a 27" C es de 22,90
x 21 x loa:
,Jr: -'dP'E -1 22,9 x 101
(b)
x
103 kglcm2. Mediante
-9.15 x ro-a
la fórmula
(12),
m3
La definición asociada con la fórmula (12) indica que las variaciones correspondienfes en la presión y volumen
son las que deben considerarse en la fórmula. De aqui, un aumento en la presión se corresponde con una
disminución de volumen.
(250-35)x104
:
(29,70- 30)x 103/30x I0r
dn'
E-
L
-
--;---
aulL)
-
21,50
x
107 kg/m'?
x* 5. Un cilindro contiene 356 dm3
de aire a 49' C y una presión absoluta de 2,80 kglcmz . Se comprime
el aire hasta 70 dm3. (c) Suponiendo condiciones isotérmicas, ¿cuál es la presión en el nuevo volu-
y cuál el módulo de elasticidad volumétrico? (á) Al suponer condiciones adiabáticas,
es la presión final, la temperatura final y el módulo de elasticidad volumétrico?
men
Solución:
(a)
Para condiciones
De
isotérmicas,
aquí,
:
pJ)t
pzDz
x 104 x 0,356 : pi \
E : p' : 14,20 kglcm2.
2,80
El módulo volumétrico
(b) Para condiciones
2,80
adiabáticas,
x
pru\:
104(0,356)1'40
pzu\.
x
104
0,070
I la Tabla 1(,a) del Apéndice
pz
da
:
14,20 kglcm2 (ab)
k:1,40.
De aquí,
(17):
T?: ¡P'¡,u-r>,*, _:, ^ : 12J4 ' ¡o,nu,r.nu, T2:
Tt pz
2'73 + 49 ' 2,80
6.
!
: pt x 104(0,070)1'40 y p;:27,22 kglcm2 (ab).
La temperatura final se obtiene a partir de la ecuación
El módulo volumétrico
¿cuál
E: kp':
1,40
x 27,22:38.10
616"
K
:
343.
c
kglcm2.
De las International Critical Tables,la viscosidad del agua a20" C es 0,01008 poises. Calcular (a)la
viscosidad absoluta en kg seg/mt. (á) Si la densidad relativa a20" C es 0,998, calcular el valor de la
viscosidad cinemática en m2/seg.
Solución:
Elpoiseestámedidoendinasseg/cm2. Como
l kg:9,81 x
ks ses 9.81 x
105 dinas see
l--:
;
i
lOsdinasy
-:9E.1
1m:
porses
l00cm,obtenemos
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
(o) I
\ 7.
en
kg
(b) v en
ru-
: 0,01008/98,1 : 10,28 x 10-s
tt p pC 10,28 x 10-s x 9,81 :
p wlq w
0,998 x 1000
[cAP.
seg/m2
) 5€E :
.-..,
1,01
x
1
-á
10-s
Hallar la viscosidad cinemática de un líquido cuya viscosidad absoluta
sidad relativa 0,964 dando el resultado en m2/seg.
es
de 15,14 poises y su den-
Solución:
Procediendo como en el Problema 6,
15,14 x
:
' is,trii:
9,81
8.
t'57 x
Convertir una viscosidad de 510 segundos Saybolt
10- 3 m2/seg.
a 15,5"
C en viscosidad cinemática v en m2/seg.
Solución:
Cuando para la determinación se ha utilizado un viscosímetro universal Saybolt, parala conversión
za uno de los dos grupos de fórmulas siguientes:
(a)
< 100, ¡r en poises : (0,00226t
> 100, ¡r en poises : (0,00220t
(b) para / < 100, v en stokes -- (0,00226t
para / > 100, v en stokes : (0,00220t
para I
para t
-
se
utili-
l,95lt) x densidad relativa
l,35lt) x densidad relativa
l,95lt)
l,35lt)
donde / mide los segundos Saybolt. Para convertir stokes (cm2/seg) en m2/seg solo es necesario dividir por 10a.
Mediante el segundo grupo (ó) de fórmulas, ya que /
>
100,
x 510 - l:]l¡ fO-v: (0,00220
'
5t0' "
: l,ll94 x 10-a m2fseg.
9. Estudiar las características de velocidad de deformación bajo esfuerzo cortante, que se representan para diversos tipos de fluidos en la Figu-
fa
I-2.
t
I
Solución:
(a)
Los fluidos newtonianos se comportan de acuerdo
con la ley t : p(dvldy), o bien que la tensión cortante es proporcional al gradiente de velocidades
o velocidad de deformación tangencial. Por tanto,
para estos fluidos, la gráfica de la tensión cortante
en función del gradiente de velocidades es una línea
recta que pasa por el origen. La pendiente de esta
recta determina la viscosidad.
.2
SOLIDO RICIDO IDEAL
SOLIDO REAL
.Ctg
..,.99{,99P
Y.'ft
(Y
"ü
-a
'ó
FLUIDO IDEAL
Gradiente de velocidades
(b) En un fluido <ideab> la resistencia a la deformación cortante o tangencial es nula, de aquí que su
gráfica coincida con el eje de abscisas. Aunque los
fluidos ideales no existen, en ciertos análisis está
justificada y es útil la hipótesis de fluido ideal.
*.
4I
dy
+
Fig. l-2
(c)
Para un sólido rígido <ideal> no hay deformación bajo ningún estado de carga, y la gráfica coincide con el
eje y de ordenadas. Los sólidos reales sufren siempre alguna deformación y, dentro del límite de proporcionalidad (ley de Hooke), la gráfica es una línea recta casi vertical.
(d)
Los fluidos no newtonianos se deforman de manera que la tensión cortante no es proporcional a la velocidad de deformación tangencial, excepto quizá a tensiones cortantes muy pequeñas. La deformación de estos
fluidos pudiera clasificarse como plástica.
(")
Los materiales plásticos <ideales> pueden soportar cierta cantidad de esfuerzo cortante sin deformarse, y
a partir de un cierto valor de aquél se deforman con una velocidad proporcional a la tensión cortante.
cAP. rl
10.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Con referencia ala Fig. 1-3, el fluido tiene una
viscosidad absoluta de 4,88 x 10-3 kg seg/m2
y una densidad relativa de 0,913. Calcular el
gradiente de velocidades y el módulo de la
tensión cortante en el contorno y en los puntos situados a 25 mm, 50 mm y 75 mm del
contorno, suponiendo (a) una distribución
de velocidades lineal y (á) una distribución de
velocidades parabólica. La parábola en el dibujo tiene su vértice en A. El origen está en ,8.
vi
Solución:
(a)
Para la hipótesis de distribución lineal, la relación entre la velocidad y la distancia y es
V : 15y. De aqui dV : 15 dy, y el gradiente
de velocidades es dVldy : lJ.
Para Y:0, V:0, dvldY: 15 seg-t Y
Análogamente,
(b)
Fig. 1-3
t: ¡t(dVldy):4,88 x 10 3 x 15:7,32 x l0-2 k'lm2
para los otros valores de y, también se obtiene r :7,32 x l0-2 kglm2.
La ecuación de la parábola debe satisfacer la condición de que la velocidad sea cero en el contorno -8. La
ecuación de la parábolaes V:1,125 - 200(0,075 - y)2.Luego dvldy:400(0,075 - y)y la tabulación
de los resultados conduce a lo sieuiente:
yx103
dVldy
V
4,88
x
lO-3(dVldy
0
JI,,
25
50
0,625
20
0,1464 kslm2
0,0976 kglm2
1,000
10
0,M88 kglm'z
75
|,125
0
0
0
Se observará que en los puntos en que el gradiente de velocidades es
nulo (cosa que ocurre en el
de las tuberías en conducción forzada, como se verá más adelante) la tensión cortante es cero.
Las unidades del gradiente de velocidades son seg-t y el producto p(:dvldy): (kg seg/m'z)(seg-1.¡
kg/m2, dimensiones correctas de la tensión cortante r.
\ 11.
eje
:
Un cilindro de 12 cm de radio gira concéntricamente en el interior de un cilindro fijo de 12,6 cm
de radio. Ambos cilindros tienen una longitud de 30 cm. Determinar la viscosidad del líquido que
llena el espacio entre los cilindros, si se necesita un par de 9,0 cm kg para mantener una velocidad
angular de 60 revoluciones por minuto.
Solución:
(a)
El par se transmite al cilindro exterior a través de la capa de fluido. Como el espaciado entre los cilindros
es pequeño, los cálculos pueden realizarse sin integración.
Velocidad tangencial del cilindro interior : ra : (0,12 m)(2n radlseg) : 0,755 m/seg.
En el pequeño espacio entre los cilindros puede suponerse lineal el gradiente de velocidades y utilizar
el radio medio. Así, dvldy:0J551Q,120 - 0,126):125,8 (m/seg)/m o seg-1.
:
:
0,09
Par aplicado
De aquí,
¡t:
par resistente
r(área)(brazo)
tl@Vldy)
:
:
r(Zn
3,151125,7
x
0,123
x 0,30)(0,123)
:
0,02500
kg
seg/m2.
y
t:3,l5kglm2.
t0
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
(b)
[cAP. I
En un método matemático más exacto se utiliza el cálculo como sisue:
Como antes, 0,09: t(2nr x 0,30)r, de donde t:0,04'76112.
Ahora bien,'dy
{:::9!+'
p
pr"
donde las variables son la velocidad V y el radio r. La velocidad
es
cero en el radio mayor e igual a 0,755 m/seg en el radio menor.
Ordenando la expresión anterior y sustituyendo
cuando y aumenta), se obtiene
[''"
tr,*
Por tanto, (0,755
12.
-
o'
o)
:0'0476 [o'"o -o'
l"l Jt.tzo 7
-dr
v.
Y
: o'ootu(-l
^!l
¡t '0,120- 0,126'
por dy (el signo menos indica que
.
disminuye
0,0476 f l1o.t:o
| |
|
| r Jo,tzo
_v '
ex :_t_l
de donde p
Demostrar que la presión en un punto es la misma
todas las direcciones.
r
:
0,02500
kg
seg/m2.
en
Solución:
Considérese un pequeño prisma triangular de líquido en
reposo, bajo la acción del fluido que lo rodea. Los valores medios de la presión sobre las tres superficies son pl, pz ! pt. En
la di¡ección z, las fuerzas son iguales y opuestas y se anulan en-
tre ellas.
Sumando las fuerzas en las direcciones
EX:0,
o
- pt(ds dz) sen 0 :
Pr-Prcos0-dW:0
IY:0,
pr(dx dz)
Como
se obtiene
Pr-Pt sen0:0
pr(dy dz)
o
ney
dy:
-
pr(ds dz) cos 0
ds sen 0
y dx:
-
0
u(+ dx dy dz)
:
Fig. 1-4
0
ds cos 0, las ecuaciones se reducen a las siguientes:
ptdydz - ptdydz:0
pldxdz - pzdxdz - w(ldxdydz):0
y
o pz:pz
o pt - pz - w(|dy):0
(1)
(2)
Cuando el prisma tiende a contraerse sobre un ptnto, dy tiende a cero en el límite, y la presión media se
vuelve uniforme en la superficie que tiende a cero y queda defi¡rida la presión en un punto. Por tanto, al poner
dy
13.
:
O
en Ia ecuación (2) se obtiene
pt : pt y de aqui pr : pz: pt.
Deducir la expresión (pz - pt) : w(hz - hr).
Solución:
-lrt
Considérese una porción de liquido AB (Fig. 1-5) como un
cuerpo libre de sección recta transversal dA que se mantiene en
equilibrio bajo la acción de su propio peso y la acción de las
0/,
otras partículas de liquido sobre el cuerpo AB.
En A la fuerza que actúa es p, dA (la presión en kg/m2 por
e\ área en m2); en B es prdA. El peso del cuerpo libre lB es
W
:
tt¡D
:
wL dA. Las otras fuerzas que actúan sobre el cuerpo
libre AB son normales a sus lados, de las que se muestran solo
unas pocas en la figura. Al establecer 2X : 0, dichas fuerzas
normales no es necesario considerarlas en la ecuación. Por conslgurente,
pzdA-ptdA-wLdAsen
Como
Z
sen 0
: h, -
h,,, la ecuación anterior se reduce
Fig. r-5
0:0
a (p, - Pt) :
w(h.t
- ht)'
x
cAP.
1]
PROPIEDADES DE LOS
* 14. Determinar
la presión en
FLUIDOS
11
kgf cmz sobre una superñcie sumergida
a 6 m de profundidad en una
masa de agua.
Solución:
Utilizando el valor medio de 1000 kg/m3 para
wh
e : lo"
* fS.
1000
x
tD,
6
:
o'60 kglcm2 (man)
Determinar la presión en kg/cm2 a una profundidad de 9 m en un aceite de densidad relativa
de 0,750.
Solución:
wh
e, : 1F
* 16.
(0.750
x
1000)9
:
o'675 kglcm2 (man)
es de 75,6 cm
Encontrar la presión absoluta en kg/cm2 en el Problema 14 si la lectura barométrica
de mercurio (densidad relativa 13,57).
Solución:
Presión absoluta
:
presión atmosférica
(13.57
*17.
'
x
*
presión debida a los 6 m de agua
1000X0.756) 1000 x
* r:ft|
6
:
r.628 kg/cm, (ab)
¿A qué profundidad de un aceite, de densidad relativa 0,750, se producirá una presión
2,80 kglcm2? ¿A cuál si el líquido es agua?
Solución:
+ 18. (a)
(b)
tiva
p
,
n--:w^.
2.80x104
0.750 x
p
,
n^r:
:37.30m.
2,80x104
=jl]r*
:
i.:
1000
de
28,00 m
Convertir una altura de presión de 5 m de agua en altura de aceite, de densidad relativa 0,750.
Convertir una altura de presión de 60 cm de mercurio en altura de aceite, de densidad rela0,750.
Solución:
h
lal /t" : ¿.,'ffu""i,.
:
s :
a-rt
F
/"
(.'66
^
hu,
13'57 x o'60
bt h--: den. rel.
- 0.750 = ,0.r, aceite
19. Preparar un gráfico de forma que
puedan compararse fácilmente las presiones manométricas (man) y absolutas
(ab) con las limitaciones que se harán
notar.
IPRESIONES."
Or'".tl-
Solución:
Sea I un punto, Fig. 1-6, a una presión
absoluta de 3,85 kglcm2. La presión mano:'
métrica dependerá de la presión atmosférica
reinante. Si tal presión es la atmosférica normal al nivel del mar (1,033 kg/cm'z), la presión manométrica en A setá 3.850 - 1.033
: 2,817 kg/cm2. La lectura barométrica más
corriente equivale a una presión de 1,014
kglcm2, con lo que la presión manométrica
obtenida sería 3,850 - 1,0t4 : 2,836kglcm2
lmanl.
2 836 man
385ab
\ P
-0
544
man
rl ó-+
atmós reinante
=
0.561 man
|
I.014
cero ¿bs
f
,/ -1.033
t, - 1.014
o.¿t o6
Cero abtoluto
(\'acío total )
031 ab
Fie. l-6
man o
man
t2
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
[cAP.
1
Sea .B un punto a una presión absoluta de 0,47 kglcm2. Este valor viene representado gráficamente por debajo de la presión atmosférica normal 1,033 kg/cm2 y la presión manométrica para B será 0,470 - 1,033 :
-0,563 kglcm2 (man). Si la presión atmosférica reinante es de 1,014 kglcm2,la presión manométrica para este
valor será 0,470 - 1,014 : -0J4 kglcm2 (man).
Sea C un punto a una presión absoluta igual a cero. Esta condición es equivalente a una presión manométrica <normal> negativa de - 1,033 kglcm2 y a una presión manométrica, representativa del valor más corriente, de -1,014 kg/cm2.
Las conclusiones que se pueden sacar son importantes. Las presiones manométricas negativas no pueden
exceder de un límite teórico de la presión manométrica reinante o del valor normal de -1,033 kglcm2. Las presiones absolutas no pueden tomar valores negativos.
*ZO.
Con referencia a la Fig. 1-7, las áreas del pistón.4
.B son, respectivamente, de 40 y
4000 cm2 y .B pesa 4000 kg. Los depósitos y las
conducciones de conexión están llenos de aceite
de densidad relativa 0,750. ¿Cuál es la fuerza P
necesaria para mantener el equilibrio si se des-
y del cilindro
precia el peso de A?
Solución:
Se determina primero la presión que actúa soComo Xt ! Xn están al mismo nivel en la misma masa de liouido. se tiene
bre
L
presión en
presión bajo
Fig. r-7
X" en kglcm' : presión en X^ en
A * presión debida a los 5 m de
aceite
wh
' 104
Sustituyendo,
kglcm2
Fuerza
*Zt.
:
p:
presión uniforme
x
área
:
0,625 kglcn2
:
kglcm2
peso de -B
área de B
4000 ke
4000 cm2
1,0 kglcm2
x 40 cm2 :
po
:
0,625 kglcm2
25,0 kg.
Determinar la presión manométrica en A enkgfcm2 debida
a la columna de mercurio (den. rel. 13.57) en el manómetro
en U mostrado en la Fisura 1-8.
Solución:
.B y C están al mismo nivel y en el mismo líquido, el mercurio;
por tanto, podemos igualar las presiones en B y C en kgfm2 (man).
_3,80 m
_3,60 rn
Presión en B: presión en C
pt * wh (para el agua) : po + wh (para el mercurio)
p,{ + 1000(3,60 - 3,00) : 0 + (13,57 x 1000)(3,80 - 3,00)
Al
despejar,
po:
10.256kelm'y
p):
10.2561104
:
l,0256kglcm2
(man).
Otro procedimiento de resolución consiste en emplear las alturas de presión en metros de agua, lo que conduce por lo general a
menos operaciones aritméticas, como se ve a continuación:
Altura de presión en -B : altura de presión en C
-l 0,60 m de agua : 0,80 x 13,57 m de agua
Fig. l-8
p,tlw
Al
despejar p,clw
:
10,256 m de agua y
pi:
(1000
x
10,256)1104
:
1,0256 kglcm2 (man), como antes.
*
CAP
1l
22.
Aceite de densidad relativa 0,750 está fluyendo a través de la boquilla mostrada en la Fig. 1-9 y
desequilibra la columna de mercurio del manómetro en U. Determinar el valor de á si la presión
en ,4 es de 1,40 kglcm2.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Solución:
8:
Presión en
o,alutilizarcomounidadkg/cm2,
,,oo
*
(o't5o
"
13
presión en C
o; * #(aceite) : p; + *4 (-...u.io)
1000X0,82s
¿)
+
(13,57
104
x
1000)fr
h: l,l4
104
m
Ofro método:
Al utilizar
ahora como unidad la altura de presión en m de agua,
Altura de presión en
.B
:
altura de presión en C
!H# - (0,825 - h)o,7so: t3,s7h
y
h: l,l4 m, como antes
3,15 m
3,00 m
Líquido
Fig.1-9
I
Fig. 1-10
X 23. Para una presión manométrica en A de -0,11 kgfcm2,
encontrar la densidad relativa (Dr) del
líquido manométrico .B de la Figura 1-!0.
Solución:
Presión
o, en kg/m2,
-0,11 x
Ahora bien,
104
+
(1,60
x
presión en D
"" 9:
P'a-wn:oo
1000)0,45
: po:
-380
kglm2
po: pn: -380 kglm2, ya que el peso de los 0,68 m de aire pueden
pt : pp: 0 en kg/m2 (man).
despreciarse sin error
apreciable. Además
Por
tanto,
presión en G
:
:
-380 :
pe
presión en E
-
presión de (3,38
-
pn - (Dr x 1000X3,38 - 3,00)
0 - (Dr x 1000)0,38 y
Dr
3,00) m del líquido manométrico
:
1,00
14
* Zl.
PRoPIEDADES DE LoS FLUIDoS
[cAP.
1
Para una lectura manométrica en A de -0,18
kgfcm2, determinar (c) la elevación en las ramas
abiertas de los piezómetros -8, F y G y (á) la lectura del manómetro en U de mercurio de la Fi-
gura 1-11.
Solución:
(a)
Como el peso específico del aire (aproximadamente 1,28 kg/mt) es muy pequeño comparado
con el de los líquidos, la presión en la elevación
de 15 m puede considerarse igual a -0,18 kglcm2
sin introducir error aoreciable en los cálculos.
Para la columna E:
la elevación de Z, como la
Supuesta
mos-
trada, se tiene
Pr: Pt
Por tanto,
Ps*wh:0
o bien -0,18 x 104 + (0,700 x 1000)¿ : 0
en kg/m2 (man)
y h:2,57
:
m.
De aquí, la elevación de Z será 15,00
12,43 m.
-
2,57
Fig.
l-ll
Para la columna F:
Presión en
El. 12 m : presión en El. 15 m * presión del líquido de Dr
:
que debe ser igual a la presión en
aglua,
y la columna
(0,700x1000X15-12)
-0,18 +
0,03 kglcm2
104
M.
-F ascenderá 0,30
:
0,700
Por tanto, la altura de presión en
:
M seráqrffiq
m por encima de M o bien la elevación en N
es
0.30 m de
igual a 12,30 m.
Para la columna G:
Presión en El. 8
o
¡¡:
presión en
po:0.03.
bien,
El. 12 m + presión de 4 m de
f%#
:0.43
agua
kstcmz
que debe ser igual a la presión en R. Por tanto, la altura de presión en R será
*i##
:
líquido y la columna G ascenderá 2,69 m sobre R o hasta una elevación de 10,69 m en
(b) Para el manómetro
D:
altura de presión en C.
13,57h1: altura de presión en El. de 12 m
r3,s7h:0,30+8,00
:
Q.
de tubo en U, al utilizar como unidades metros de agua,
altura de presión en
de donde ht
2,69 m del
0,61 m.
*
altura de presión de 8 m de agua
cAP. 1l
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
15
k ZS. Un
manómetro diferencial está unido a dos secciones rectas A y B de una tubería horizon':al por
la que circula agua. La lectura en el manómetro de mercurio es de 0,60 m, siendo el nivel más cercano a A elmás bajo. Calcular la diferencia de presiones entre Ay B enkglcm2. Véase la Figura 1-12.
Solución:
Nota'. Un croquis o dibujo ayrtdaa esclarecer el análisis de todos los problemas y a reducir las equivocaciones. Aun un simple diagrama de una línea puede servir.
C: altura de presión en D
agua, p,tlw- t:lpolw -(t + 0,60)] + 13,57(0,60)
Altura de presión en
o, al utilizar como unidad el m de
De
y
aquí,
p^
Si
- palw: diferencia en alturas de presión :0,60(13,57 - 1):
- ph: 0,54 x 1000)/104 : 0,754 kslcm2.
p,s,lw
(pi - p")furra
7,54 m de agua
negativa, la interpretación correcta del signo sería que la presión en
mayor que la presión en
l.
I
era 0,754kglcm2
Los manómetros J.iferenciales deben ser purgados del aire de todos los tubos antes de tomar lecturas.
4,50 m
3,60 m
3,00 m
Fig. l-12
X 26. Se quiere medir la pérdida
de carga a través del dispositivo X mediante un manómetro diferencial
cuyo líquido manométrico tiene una densidad relativa de 0,750. El líquido que circula tiene una
densidad relativa de 1,50. Hallar la caída en altura de presión entre A y B a partir de la lectura manométrica en el aceite, mostrada en la Figura l-I3.
Solución:
p" - (1,50 x
De aqui,po
-
pn
:
Presión en C en kglm2
1000)0,60 - (0,750 x 1000)0,90
3375 kglm2 y la diferencia en alturas de presión
:
:
presión en D en kg/m2
p.c - (1,50 x 1000)3,30
:34: : , =="", -.= :
ru 1.50 x 1000
2,25 mde ]íquido.
Otro método:
Al utilizar
como unidad el m de líquido (Dr
:
1,50),
altura de presión en
D!"
De aquí, p,tlw
-
pnlw
:
0.60
-
C:
altura de presión en D
nzs910;10:pn__11o
-=
r.r0
diferencia en alturas de presión
w
:
2,25 m de líquido, como antes.
PROPIEDADES DE LOS
16
27.
FLUIDOS
[CAP.
Los recipientes I y,B contienen agua a las presiones respectivas de 2,80 y 1,40 kglcmz. ¿Cuál
la lectura en el manómetro diferencial de mercurio, mostrado en la Figura 1-I4?
1
es
Solución:
Altura de presión en C
2.80
ff
:
x lOa-t
x-r h
altura de presión en D
1.40
x
lOa
- y+
13.57h (en m de agua)
Ordenando,(104/1000X2,80-1,40)lxry:(13,57-l)h.Alsustituirx+y:2,00mydespejarseobtieneá:7,2'7m.
El lector habrá observado que empleando como unidades el kg/m2 o el kg/cm2 se hacen más operacrones
aritméticas, pero como la probabilidad de cometer errores de concepto es menor se recomienda el uso de tales
unidades en lugar de las alturas de presión.
3.00 m
Fis. l-15
Fig. l-14
28. La altura de presión al nivel A-A es de 0,09 m de agua y los pesos específicos del gas y del
aire son, respectivamente,0,560 y I,260 kg/mt. Determinar la lectura en el manólnetro de agua
de tubo en [J, que mide la presión del gas al nivel -8, según se muestra en la Figura 1-15.
Solución:
Se supone que tanto el peso específico del aire como el del gas permanecen constantes en los 90 m de diferencia en elevación. Como los pesos específicos del gas y del aire son del mismo orden de magnitud, debe tenerse en cuenta el cambio en la presión atmosférica con la altitud. Se utilizarán presiones absolutas.
(absoluta) p.
(atmosférica) p¿ + 1000h
Se calcula ahora
:
:
(absoluta)
(absoluta)
p¡ Gg/m')
p; - 0,560 x 90
(A)
la presión absoluta en A et función de la presión atmosférica en E, obteniendo primero
la presión atmosférica en -F y hego
pn.
(absoluta)pr: [(atmos.) p"+
Sustituyendo este valor en (A), eliminando p6
1000á
:
90(1,260
-
0,560)
1,260(h
y
+
90
-
0,09)]
+
0,09
x
1000 (lkelm2)
despreciando los términos muy pequeños, se obtiene
+ 0,09(1000) y
h:
0,153 m de agua
cAP.
29.
ll
l7
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
¿Cuál es la presión en el océano a una profundidad de 1500 m, suponiendo (a) que el agua salada
y (ó) el agua del mar es compresible y tiene un peso específico en la superficie de
1025 kglm3? E
2l:000 kglcm2 (constanre).
es incompresible
:
Solución:
(a)
(b)
Presión p
: wh:
1025
x
1500
:
x
15,375
10s kg/m2 (man).
: 0; de aquí
dW:d(wu):wdu+udw:O o dulu:-dwlw
De las ecuaciones (10) y (12), dp: -wdh Y dulu: -dplE. Sustituyendo en (A),
dplE : dwlw
Integrando, p : E lo&' w 1- C. En la superficie, p : po, w:üoi de aquí, C:P"- E log" wo y
Como la masa no varía al comprimirla
ni
su peso, dW
(p-p,):Elog"(wlw")
p:Elog"tD*po-Elog"wo
dp: -*dh en (B), #:4!
Poniendo
o
h:
En la superficie,
h:0,
:
w
Elw
dh: - Edw
1'
+
Integrando,
(D)
Ct: -Elw., h :
(1025X21.000 x 104)
(Elw
":*"n+r:(l025x-|500)+(2l.000'10n):
recordando que /z es positiva hacia arriba
p
30.
:
(2r.000
x
104)
y dando E en
lo& (1032,611025):
(B)
(c)
Ct
¿ro; entonces,
woE
(A)
-
Elw") y, por tanto,
1032,6 kglml
kglm2
15,4'76
x
10s kg/m2 (man)
Calcular la presión barométrica en kgfcm2 a una altitud de 1200 m si la presión al nivel del mar
es de 1,033 kglcm2. Supónganse condiciones isotérmicas a 21" C.
Solución:
a2l"Cesr': 29,3(273P 2D' Por tanto' de la ecuación (10)'
+
o, : _0,000116
P
),,,.
-..
:
dp: - w an
dh
2\ieg4rdn o p
El peso específico del
aire
(A)
p: -0,000116h + C, donde C es la constante de integración.
ParacalcularC:cuandoh:0,p:l,033xl}akglm2(ab).Deaquí,C:log"(1,033x104)
log" p: -0,000116¿ + log" (1,033 x 104)
o
0,000116h: lop," (1,033 x 104/p)
Integrando (A),1og"
(r)
Pasando (B) a logaritmos decimales
2,3026 los (1,033
log (1,033 x
de la cual p
:
1.033
x
lOa
ffi:
x
roalfl :0,0001/6(1200),
l\alp):0,06045, 1,033 x l\alp:
9.0
x
103 kg/'m2
:
antilog 0,06045 :1,14935
0.90 kg7cm2.
31. Deducir
la expresión general que da la relación entre la presión y la elevación, cuando las condiciones son isotérmicas, mediante dp : -w dh.
Solución:
f+ ," transforma P- -- b o * - *oL
+:
lDr
wolo
"n lD wo
Po
42
d¿ = -dp = -2t ,4?. Intesrando. f^ an = -!t f'
Para condiciones isotérmicas, la ecuació"
por tanto.
,
n-
,:
ho
o",.*'
= --(log"p-
togep"l
= t *;ltog"po- togeu = ;lo9"
v
p
En realidad, la temperatura de la atmósfera disminuye con la altitud. De aquí, que una solución exacta requiera el conocimiento de las variaciones de la temperatura con la altitud para utilizar la ley de los gases
nlwT
:
constante.
l8
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
[cAP.
32. Desarrollar una expresión que relacione la presión manométrica p que
1
odL
reina en el interior de una gota de líquido y la tensión superficial o.
odL
dP,
Solución:
La tensión superfrcial que actúa sobre
la superficie de una gota de líquido da lugar
a que la presión en el interior de la gota sea
superior a la presión exterior.
La Fig. 1-16 muestra las fuerzas que
producen el equilibrio en la dirección X de
media gota de diámetro d. Las fte¡zas o dL
se deben a la tensión superficial que actúa
sobre el perímetro y las fuerzas dP, son las
+dP,
odL
-
odL
componentes en la dirección X de las fuerzas p dA (véase Capítulo 2). Por tanto, de
2X
:
4old en kg/m2 (man). Las unidades de la tensión superficial son kg/m.
Se observa que cuanto menor es la gota, mayor es la presión.
Una pequeña gota de agua a 27" C está en contacto con el aire y tiene un diámetro de 0,50 mm.
Si la presión en el interior de la gota es 5,80 x t0-3 kglcmz mayor que la atmosférica, ¿cuál es
el valor de la tensión superficial?
solución:
34.
: suma de fuerzas hacia la izquierda
oldL:!dP,
x perímetro : presión x proyección del área
o(nd) : p(:nd2l4)
fuerzas hacia la derecha
tensión superficial
33.
Fig. l-16
:0.
le
op
dP.
o: lpd:
+(58)
kgfm2
x
(0,5
x
10-3)
m:0,029
kg/m
Calcular la altura aproximada a la que ascenderá un líquido que moja el vidrio en un tubo capilar
en contacto con la atmósfera.
Solución:
La elevación en un tubo de diámetro pequeño puede calcularse aproximadamente considerando como cuer-
po libre la masa de líquido ABCD qlue se muestra en la Figura 1-17.
Como EI¡ debe ser igual a cero, se obtiene
componentes verticales de las fuerzas debidas a la tensión superficial - peso del volumen ABCD hacia abajo
* fuerza de la presión sobre l.B hacia arriba - fierza de la presión sobre CD hacia abajo : 0.
+
(o !
dL) sen d - w(nd2l4 x h) + p(área AB)
Se ve que las presiones en los niveles lB y
CD son iguales ambas a la atmosférica. Por tanto, los dos últimos términos del primer miembro se anulan entre sí y, como o I dL : o(nd),
se obtiene
,
n:
4osena
*¿
en metros
Para un mojado total, como ocurre con el
agua en contacto con vidrio muy limpio, el ángulo c es prácticamente 90". No puede garanti-
zarse una mayor aproximación.
En los trabajos experimentales, para eütar
errores de consideración debidos a la capilaridad deben utilizarse tubos de diámetro de aproximadamente l0 mm o mayores.
-
o d.L
p(área
CD):0
sdL
cAP. 1l
35.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
t9
Calcular la altura a la que ascenderá en un tubo capilar, de 3,00 mm de diámetro,
:
4o
Solución: De la Tabla I(C), o
c
0,00740 kg/m. Suponiendo un ángulo
4 x 0.00740 ke/m
.
h:
,: ffi:0,00ee
:
aguia
a 21" C.
90', supuesto el tubo limpio,
m:9,90
mm.
Problemas propuestos
36.
Si la densidad de un líquido es de 85 UTM/m3, determinar su peso específico y su densidad relativa.
Sol. 834 kg/m3,
0,834
y del
37.
Comprobar los valores de la densidad
38.
Comprobar los valores de los pesos específlcos del anhídrido carbónico y del nitrógeno dados en la Tabla 1(l).
39.
¿A qué presión tendrá el aire un peso
Sol.
peso específico del aire a
específico de 1,910 kg/m3 si
30'C
dados en la Tabla l(,8).
la temperatura es de 50'
C?
1,80 kg/cm'z (ab)
40.
Dos metros cúbicos de aire, inicialmente a la presión atmosférica, se comprimen hasta ocupar 0,500 m3. para
una compresión isotérmica, ¿cuál es la presión final?
Sol. 4,132 kglcm2 (ab\
41.
En el problema precedente, ¿cuál será la presión final si no hay pérdidas de calor durante la compresión?
Sol. 7,20 kglcm2 (ab)
42.
Determinar la viscosidad absoluta del mercurio en kg seg/m2 si en poises es igual a 0,0158.
Sol.
43.
1,61
x
10-a kg
Si la viscosidad absoluta de un aceite es de 510 poises, ¿cuál es la viscosidad en el sistema kg-m-seg?
Sol. 5,210 kg
4.
seg/m2
seg/m2
¿Qué valores tienen las viscosidades absoluta y cinemática en el sistema técnico de unidades (kg-m-seg) de un
aceite que tiene una viscosidad Saybolt de 155 seg y una densidad relativa de 0,932?
Sol. 315 x 10-s y 33,3 x 10-6
45.
Dos superficies planas de grandes dimensiones están separadas 25 mm y el espacio entre ellas está lleno con un
líquido cuya viscosidad absoluta es 0,10 kg s9g/m2. Suponiendo que el gradiente de velocidades es lineal, ¿qué
fuerza se requiere para arrastrar una placa de muy poco espesor y 40 dm2 de área a la velocidad constante de
32 cmlseg si la placa dista 8 mm de una de las superficies?
Soi. 2,35 kg
46.
El depósito de la Fig. 1-18 contiene un aceite de densidad relativa 0.75C. Determinar la lectura del manómetro
A en kglcm2.
Sol. -8,71 x 10-2 kg/cm2 (man)
47.
Un depósito cerrado contiene 60 cm de mercurio, 150 cm de agua y 240 cm de un aceite de densidad relativa
0,750, conteniendo aire el espacio sobre el aceite. Si la presión manométrica en el fondo del depósito es de 3,00
kglcm2, ¿cuál será la lectura manométrica en la parte superior del depósito?
Sot. 1,860 kg/cm, (man)
48.
Con referencia a la Fig. 1-19, el punto I está 53 cm por debajo de la superficie libre del líquido, de densidad relativa 1,25, en el recipiente. ¿Cuál es la presión manométrica en I si el mercurio asciende 34,30 cm en el tubo?
So/. -0,40 kglcm2 (man)
23 cm
T
13,57
Fig. l-18
Fig. l-19
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
20
t49.
[cAP.
1
Con referencia a la Fig. 1-20 y despreciando
el rozamiento entre el pistón I y el cilindro
que contiene el gas, determinar la presión
manométrica en ,B en cm de agua. Supóngase que el gas y el aire tienen pesos específicos
constantes e iguales, respectivamente, a 0,560
y 1,200 kg/m3.
So/. 60.60 cm de asua
50.
Los recipientes A y B, que contienen aceite
glicerina de densidades relativas 0,780 y
y
1,250, respectivamente, están conectados me-
diante un manómetro dilerencial. El mercurio del manómetro está a una elevación de
50 cm en el lado de A y a una elevación de
35 cm en el lado de.B. Si la cota de la superficie libre de la glicerina en el depósito B es
de 6,40 m, ¿a qué cota está la superficie libre
del aceite en el recipiente ,4?
Sol. Cota 7.60 m
51.
Un depósito A, a una elevación de 2,50 m, contiene agua a una presión de 1,05 kglcm2. Otro depósito B, a wa
elevación de 3,70 m, contiene un líquido a una presión de 0,70 kglcmz. Si la lectura de un manómetro diferencial
es de 30 cm de mercurio, estando la parte más baja en el lado de A y a una cota de 30 cm, determinar la
Sol. 0,525
densidad relativa del líquido contenido en B.
52. El aire del recipiente de la izquierda de la Fig. 1-21 está a una
presión de -23 cm de mercurio. Determinar la cota del líquido
manométrico en la parte derecha, en l.
So/. Elevación 26.30 m
53. Los compartimientos B y C de la Fig. 1-22 están cerrados y lle-
0,20 kg/cm'z
Aire
3óm
Aire
Acelte
Dr
33,5 m
0,80
i
nos de aire. La lectura barométrica es 1,020 kg/cm2. Cuando los
manómetros A y D marcan las lecturas indicadas, ¿qué valor tendrá x en el manómetro .E de mercurio?
Sol. 1,80 m
5¿m
X 54. El cilindro y el tubo mostrados
en la Fig. 1-23 contienen aceite
de densidad relativa 0,902. Para una lectura manométrica de 2,20
kglcm2, ¿cuál es el peso total del pistón
Sol. 60.100 kg
I
Y
y la placa W?
_A
Fig.
l_
25 cm
-I_
I
t-
A rre
FiE.l-22
Fig. l-23
rl
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
2l
Con referencia a la Fig. l-24, ¿qué presión manométrica de I
hará que la glicerina suba hasta el nivel B? Los pesos específicos
del aceite y glicerina son 832 y 1250 kglm3, respectivamente.
Sol. 0,35 kg/cm2
Para levantar una plataforma de 10 toneladas se utiliza un gato
hidráulico. Si en el pistón actria una presión de 12 kg/cm2 y es
transmitida por un aceite de densidad relativa 0,810, ¿qué diá-
metro se
requiere? So/.
32,60 cm
Si el peso específico de la glicerina es 1260 kg/m3, ¿qué presión
de succión se requerirá para elevar la glicerina 22 cm en un tubo
de 12,50 mm de diámetro?
Sol. -277 kglm2
¿Cuál es el valor de la presión interior en una gota de lluvia de
1,50 mm de diámetro si la temperatura es de 21. C?
Sol.
19,70 kglm2 (man)
Fig. l-24
Capitulo 2
Fuerzas hidrostáticas sobre las superficies
INTRODUCCION
El ingeniero debe calcular las fuerzas ejercidas por los fluidos con el fin de poder diseñar satisfactoriamente las estructuras que los contienen. En este capítulo se evaluarán las tres características de las
fuerzas hidrostáticas, a saber: módulo, dirección y sentido. Además se determinará también la localización de la fuerza.
FUERZA EJERCIDA POR UN LIQUIDO SOBRE UN AREA PLANA
La fuerza P ejercida por un líquido sobre un área plana I es igual al producto del peso específico ru
del líquido por la profundidad h,ndel centro de gravedad de la superficie y por el área de la misma. La
ecuación
es
't
¡D
h"nA
(1)
,
kg:kg/mtxmxm2
siendo las unidades
Se observa que el
P:
producto del peso específico
ru
por la profundidad del centro de gravedad de la super-
ficie es igual a la presión en el centro de gravedad del
área.
La línea de acción de la fuerza pasa por el centro de presión, que se localiza mediante la fórmula
IlU,t'
'.
:
I";,
llco
A ^
\z)
U,s
donde do es el momento de inercia del área respecto de un eje que pasa por su centro de gravedad. Las
distanciai y se miden a lo largo del plano y a partir de un eje determinado por la intersección del plano
que contiene la superficie y de la superficie libre del líquido.
La componente horizontal de la fuerza hidrostática sobre una superficie cualquiera (plana o irregular) es igual a la fuerza normal sobre la proyección vertical de la superficie.La componente pasa por
el centro de presión de la proyección vertical.
La componente uertical de la fuerza hidrostática sobre cualquier superficie (plana o irregular) es
igual al peso del líquido situado sobre el área, real o imaginario.Laftterza pasa por el centro de gravedad del volumen.
TENSION CIRCUNFERENCIAL O TANGENCIAL
La tensión circunferencial o tangencial (kg/cm2) se origina en las paredes de un cilindro sometido
a presión interna. Para cilindros de pared delgada (t < 0,ld),
Tensión
o
(kglcm2¡
:
presión
p'
(kg/cm2)
espesor
22
/
x radio r (cm)
(cm)
I ?\
cAP. 2l
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
23
TENSION LONGITUDINAL EN CILINDROS DE PARED DELGADA
La tensión longitudinal (kg/cm2) en un cilindro de pared delgada cerrado por los extremos es igual
a la mitad de la tensión circunferencial.
Problemas resueltos
1.
Desarrollar (a) la ecuación que da la fuerza hidrostática que actúa sobre un fuea plana y (á) locali-
zat la fuerza.
Solución:
(a) La traza l8
representa un área plana cualquiera sobre la que actrla un fluido y que forma el ángulo 0 con
la horizontal,tomo se muestra en la Fig.2-1. Se considera un área elemental de forma quertodas sus partículas estiin situadas a la misma distancia ft por debajo de la superficie libre del líquido. En la figura viene
representada por la banda con rayado inclinado, y la presión sobre esta área es uniforme. Por tanto, la fuerza que actúa sobre esta á¡ea dA es igual al producto de la presión p por el área dA o bien
Sumando todas las fuerzas elementales
dp : pd.A = wtclA
y considerando que i -- y
P = (ruhdA = (utesene)dA
JJ
: (z¿.sen e) (udA J
donde r¿ y 0 son constantes y, por esüitica, I y dA --
P:
l"l.
sen 0,
(utssno)y",A
Como
h"n
:
y"s sen
0,
(r)
u;h"sA
ela,qü"Ub
Fig.2-l
@' 1'*
&\ clc á' u +.-- o L
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
24
(b)
[cAP.
2
Para situar la fuerza P se procede a tomar momentos como en estática. El eje OX se escoge como la intersección del plano que contiene la superficie con la superficie libre del agua. Todas las distancias y se miden a
partir de este eje, y la distancia a la fuerza resultante se representa por l"p, que mide la distancia al centro
de presión. Como la suma de los momentos de todas las fuerzas respecto del eje OX: al momento de la
fuerza resultante, se obtiene
fI taf '' !t) =
Pero dP
:
wh
dA
:
¿{r(/ sen Q)dA
(¡,u sen
Como
J
y2 dA es
y P : (w
a) (t- u'
P w !J'P
sen O)y"oA. De aquí,
dA =
(r¿' sen 0)(lJ"!
AllJ.p
el momento de inercia del área plana respecto del
I.
,
e1e OX,
u.,,
A"cA
En forma más conveniente, a partir del teorema de Steiner,
I.T
(2\
ll"qA
Se observa que
,
2.
superficie
la posición del centro de presión está siempre por'debajo del centro de gravedad de la
o bien (y", - !"g) es siempre positivo ya que
1"n
es esencialmente positivo.
Situar lateralmente la posición del centro de presión. Referirse a la Figura 2-1.
Solución:
Si bien, en general, no se requiere conocer la posición lateral del centro de presión, en algunas ocasiones es
necesaria dicha información. Utilizando el dibujo del problema precedente, el área elemental dA está ahora formada por (dx dy) de forma que para los momentos puede tomarse la distancia x convenientemente. Tomando
momentos respecto de un eje
IrIr,
pt:"p
Al utilizar los valores
= f Ue"l
obtenidos en el Problema
(u.th,oA)t", -=
(uL sen
.f
I
anterror,
n@* d.y)t:
=
e)(u",A)/.r
= -f u,h(dx dy)x
(ru sen a)
.f
ry@r
clg)
(3)
ya que lr : / sen 0. La integral representa el producto de inercia del área plana respecto de los ejes X e I¡ seleccionados, representado por 1,u. Por tanto,
I,I
!,1, u
A
/I
\
A
!'l
"s
^
^
cq
u.)
St uno u oTro de los ejes centroidales fuera un eje de simetría del área plana, I*, sería nulo y la posición lateral
del ientro de presión estaría sobre el eje I que pasa a través del centro de gravedad (no se muestra en la figura).
Obsérvese que el producto de inercia respecto de un sistema de ejes que pasan por el centro de gravedad, (1,r)"r,
puede ser positivo o negativo, de forma que la posición lateral del centro de presión puede caer a uno u oto
lado del eje centroidal 7.
CAP.
V ¡.
2]
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS
SUPERFICIES
25
Determinar la fteruaresultante P debida a la acción del agua sobre la superficie plana rectangular
AB de medidas 1 m x 2 m que se muestra en la Figura 2-2.
Solucirfur:
P:
wh"eA: (1000 kg/m')
x
(1,20
+
1,00) m
x (l x'2) m':4400
Esta fuerza actúa sobre el centro de presión. que está a unídistanciay"odeleje
v,,:
JcP
ü ¿.
Determinar
1,20
m
x
la
1,80
I:o.
l,oA
es igual a
fuerza resultante debida a la acción del agua sobre el área rectangular CD
m mostrada en la Fig. 2-2. C es un vértice del triángulo.
PcD
-
Ory
2.20 :2.352 m de o,
+ v", -- ^tgII^ + -'-'"n 2,20(1 x 2)
Solución:
nece
kg
de
úq6'2+
:
1000(l +
!,x
Esta fuerza actúa a una distancia y.o del
ef área CD.
0J07
eje
x
x r,2 x
1,8)(i
t,g¡
: y.0l
ue
O2,estando medida esta diítancia sobre el plano al que perte-
+ -$l :
,",: (1,8s10,707)G
-_,- _1_',',1'l''1',!
x 1,2 x 1,8) 0,707
-
0.07
+ 2.61:2.68 m
der e1e o,
1,2 m
Fis.2-2
.l
ü S.
Fig.2-3
El agua alcanza el nivel .E en la tubería unida al depósito ABCD que se muestra en la Fig. 2-3. Despreciando el peso del depósito y de la tubería de elevación, (a) determinar y situar la fuerza resultante que actúa sobre el área AB de 2,40'm de anchura, (b) la fuerza total sobre el fondo del depósito y (c) comperar el peso total del agua con la resultante obtenida en (ó) y explicar la diferencia.
Solución:
(a)
La profundidad del centro de gravedad del área,4.B, respecto de la superficie libre del agua en d es de 4,50 m.
Por tanto,
P
:
v"e:
(b)
whA
:
1000(3,60
2,4(r,83)112
4,sÍi;A
0,90X1,80
x
2,40\
:
19.440 kg, que actúa
a la distancia
+ 4.s : 4.56 m de o
La presión en el fondo 8C es uniforme; por consiguiente, la fterza
P
(c)
+
:
pA
: (wh)A:
El peso total del agua es W:1000(6
x
1000(5,40X6
1,8
x
2,4
x 2,40\:77.760
+ 3,6 x
0,10)
kc
:26.280 ke.
26
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
[cAP.
2
El cuerpo libre constituido por la parte inferior del depósito (cortado por un plano horizontal justamente
encima del nivel BC) pondrá de manifiesto una fuerza, dirigida hacia abajo, sobre el área BC de77.760 kg, fuerza
vertical de tracción sobre las paredes del depósito y fterza de reacción sobre el plano soporte. La reacción ha de
ser igual al peso total del agua, es dectr,26.280 kg. La tracción en las paredes del depósito es producida por la
fuerza vertical, dirigida hacia arriba, que actúa sobre Ia parte superior
Poo: (wh)A:
- 0,1):
1000(3,6X14,4
51.480
AD
del depósito, que es igual
kg hacia arriba
ha aclarado así una aparente paradoja, pues para el cuerpo libre considerado, la suma de las fuerzas verticales es igual a cero, es decir,
Se
-
77.760
-
26.280
51.480
:
0
con lo que se satisface la condición de equilibrio.
l.
6.
La compuerfa AB de la Fig. 2-4(a) tiene 1,20 m de anchura y está articulada en A. La lecfura manométrica en G es -0,15 kglcm2 y el aceite que ocupa el depósito de la derecha tiene una densidad
relativa de 0,750. ¿Qué fuerza horizontal debe aplicarse en -B para que la compuerta AB se mantenga en equilibrio?
A
Agua
-T
/
1,80 m
J
Fig.2-4(o)
Fig.2-4(b)
Solución:
Deben calcularse el valor de las fuerzas debidas a la acción de los líquidos y su posición. Para el lado derecho,
P^"
y
:
wh"nA
:
(0,750
rcP
actúa en
x
1000)(0,9)(1,8
r,2(1,83\l12
0.9(1,2
x
x
1,2)
0,9
1,8)
:
:
1460
kg hacia la izquierda
1,20 m de A
Se observa que la presión que actúa sobre la parte derecha de la compuerta AB rectangular varía linealmente desde una presión manométrica nula hasta el valor que corresponde a los 1,80 m de aceite Qt
wh es una ecuación lineal). El diagrama de cargas ABC pone de manifiesto este hecho. Solo para el caso de áreas rectangulares,
el centro de gravedad de este diagrama de cargas coincide con el centro de presión. El centro de gravedad está
:
localizado a (213)(1,8) : 1,2 m de l, como ya se ha obtenido.
Para el lado izquierdo, es necesario convertir la presión negativa, debida al aire, en su equivalente en metros de agua.
0,15 x 104 kg/m2
h:
- 1,50 m
1000 kg/m3
Esta altura de presión negativa es equivalente a un descenso del nivel del agua de 1,50 m. Es útil y conveniente el empleo de una superficie de agua imaginaria (IWS: Imaginary Water Surface) 1,50 m por debajo de ta
superficie real y resolver el problema por aplicación directa de las ecuaciones fundamentales. Así,
P"e
:
1000(2,1
+
0,9X1,8
x 1,2):6480
kg, que actúa hacia la derecha sobre el centro
de
Paraelárearectangularsumergida,!"p:#f:#+3:3,0gmdeoobienelcentrodepresiónestáa
- 2,r0) : 0,99 m de A.
En la Fig. 2-4(b) se muestra el diagrama del cuerpo libre de la compuerta AB con las fuerzas actuantes. La
suma de momentos respecto de I debe ser igual a cero. Tomando como positivo el giro de las agujas del reloj,
(3,09
+ 1460
x
1,2
+
1,8F
-
6480
x
0,99
:
0
F:2590 kg hacia la
izquierda
)¿
'
7.
27
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
cAP. 2l
I
El depósito de la Fig. 2-5 contiene aceite y agua. Encontrar la
fuerza resultante sobre la pared ABC que tiene 1,20 m de
_T
IW So.óm
anchura.
t
Solución:
3m
Aceite
I
Pr 0,80
2,4 m
La fuerza total sobre ABC es igual a (P,n" * P"r). Hay que encontrar cada una de las fuerzas, situar su posición y, aplicando el principio de los momentos, hallar la posición de la fuerza total resultante
sobre
(a)
la pared ABC.
: (0,800 x 1000X1,5X3 x 1,2) : 4320 kg, que actúa en el
punto (2/3X3) mde A, o sea,2 m por debajo. Puede obtenerse
este mismo aplicando la fórmula conocida, como sigue:
P,{u
!"0:
(b)
-l-
-
r,2Q3)l12
+
ffifr
:
1,5
o,s
+
1,5
-- 2,oo m de
A
Fis.2-5
El agua actúa sobre la cara BC y la acción del líquido superior
puede tenerse en cuenta por la altura o profundidad de agua
equivalente. Se emplea en este segundo cálculo la superficie de
agua imaginaria (IWS), situando la IWS por cambio de los 3 m
de aceite en los 0,800 x 3 :2,40 m de agua. Por tanto,
P¡c
:
+
1000(2,4
0;9)(1,8
x
1,2)
r,2(r,83)112
Y"o:ffi)+3'3:,3'38
La
fuerza resultante total
:
4320
+
11.448
m de
7128
alárea total. El momento de esta resultante
Tomando momentos respecto de ,4,
:7128 kg, que actúa en el centro de presión
:
o
o
0,6
bien
+
3,38
:
3,98 m de
,4
:
11.448 kg, que actúa en el centro de presión que corresponde
la suma de los momentos de las dos fuerzas parciales anteriores.
Y,e:4320 x2+7128
x3,98
Y,p:
e
3,23 m de A
Pueden emplearse para estos cálculos otros métodos, pero el presentado aquí reduce los errores tanto en el
planteamiento como en los cálculos
* g.
En la Fig. 2-6la compuerta ABC está articulada en .B y tiene
I,2 m de longitud. Despreciando el peso de la compuerta,
determinar el momento no equilibrado debido a la acción
del agua sobre la compuerta.
Solución:
Po: 1000(1,25X2,88 x 1,2):4325kg, que actúa a l(2'88) :
1,92 m de A.
Psc: 1000(2,5)(l x 1,2):3000 kg, que actúa sobre el centro
de gravedad de BC, ya que la presión es uniforme sobre.BC. Tomande momentos respecto de B (positivo el sentido de giro de las agujas
de un reloj),
Momento no equilibrado
:
9.
: +4325 x 0,96 - 3000 x 0,50
+2650 m kg (sentido de las agujas del reloi)
Fig.2-6
Determinar la fuerza resultante debida a la acción del agua sobre la superflcie vertical mostrada
en la Fig. 2-7(a) y situar el centro de presión en las direcciones x e t,
Solución:
Se considéra la superficie dividida en un triángulo y un rectángulo.
suma de
(a\ Pr :
P,
:
la
fuerza
P, que actúa
1000(1,2)(2,4
1000(3Xj
x
x
1,8
1,2)
x
:
I,2)
sobre el rectángulo más la
3456 kg, que act'6a a
:
3240kg, que actúa
La fuerza resultante P :3456 +
6696 Y""
:
3456(1,6)
&
3240
+ 3240(3,06)
3Q,4):
t"o
:
e
:
La fterza total que actúa es igual a la
sobre el triángulo.
P, que actúa
1,60 m por debajo de
r,2(r,83)p6
3(]x1,2x1,8)
+3:
la superficie XX'
3,06 m por debajo de XX.
6696 kg. Tomando momentos respecto de XX,
Y"o
:
2,31 m por debajo de XX
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
(ó) Paralocalizar el centro de presión
[cAP.
2
en Ia
dirección X (cosa necesaria raras veces)
se utiliza el principio de los momentos,
después de conocer xt y xz para el rectángulo y el triángulo. respectivamente.
Para el rectángulo, el centro de presión
de cada banda elemental horizontal de
área dA está a 0,6 m del eje YY; por
tanto, el centro de presión del área total del rectángulo está también a 0,6 m
de dicho eje. Para el triángulo, cad,a área
elemental dA ttene su propio centro de
presión en el centro de la banda; por
consiguiente, la mediana contiene a todos estos centros de presión, y el centro de presión del triángulo completo
puede calcularse ahora. Con referencia
0,6
a la Fig. 2-1(b), por triángulos semejantes, xrl0,6 : 1,1411,8, de la cual
rz : 0,38 m de fll. Tomando mo-
Fis.2-7(a)
-
0,6
,"l
Fig.2-7(ó)
mentos.
6696
X"e:
3456(0,ó)
+
Y
3240(0,38)
X,p:0,494 m del eje lI
Puede utilizarse otro método para situar el centro de presión. En lugar de dividir el área en dos partes, se
calcula la posición del centro de gravedad del área total. Mediante el teorema de Steiner, se determina el momento de inercia y el producto de inercia del área total respecto de los ejes paralelos por el crcntro de gravodad.
Entonces se calculan los valores de l"oy x.o mediante las fórmulas (2)V @), Problemas I y 2. Generalmente, este
otro método no tiene ninguna ventaja en particular y entraña más operaciones.
10. La compuerta AB de 1,80 m de diámetro de la Fig. 2-8 puede
girar alrededor del eje horizontal C, situado 10 cm por debade gravedad. ¿Hasta qué altura ft puede ascender
el agua sin que se produzca un momento no equilibrado respecto de C, del sentido de las agujas de un reloj?
jo del centro
Solución:
Cuando el centro de presión coincida con el eje C no actuará sobre la compuerta ningún momento no equilibrado. Calculando la dis-
tancia del centro de o¡esión.
r "^
lJtt'
De aquí, !"p - !,g
de donde
11.
h:
gt'l
.
U"tA
1.125
=
¡d'/64
y"uQd'zl4)
ftt,84164
(h
+
0,9)(rr,8214)
-
m por encima de
:
0,10
A.
+
m
11.,,
(dado)
Fig.2-E
Con referencia a la Fig.2-9, ¿cuál es la anchura mínima b dela base de la presa de gravedad de
una altura de 30 m al suponer que la presión hidroslitica ascensional en la base de la presa varía
uniformemente desde la altura de presión total en el borde de aguas afflba hasta el valor cero en
el borde de aguas abajo, y suponiendo además un empuje P, debido a una capa de hielo de 18.600 kg
por metro lineal de presa y que actúa en la parte superior? Para este estudio se supone que las fuerzas resultantes de la reacción cortan a la base a un tercio de la base del borde de aguas abajo (en O)
y que el peso específico del material de la presa es 2,50w (ru es el peso específico del agua).
Solución:
I/y
En la figura aparecen las componentes
V dela reacción de la cimentación sobre la presa, que pasan a
través de O. Se considera una longitud de un metro de Dresa y se calculan todas las fuerzas en función de ru y
ó. como sisue:
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
cAP. 2l
Pa:
w(15)(30
:
:
j(30w)(b
Pv
x l) :
29
450w kg
área del diagrama de carga
x 1) : ríwb ks
Wt:2,50w(6 x 30 x
:
1)
450ru kg
wz:2,50w1i x 30(ó-6)l x I
P¡
:
:
37,5w(b
:
18.600 kg, supuestos para
-
6) ke
Q75wb
-
225w) kg
el empuje del hielo
Para determinar el valor de ó, en el equilibrio, se toman momentos respecto del eje O de estas fuerzas. Considerando como positivos los
momentos que producen giros en el sentido de las agujas de un reloj,
+sorutf)
Simplificando
* tZ.
y
+ swt(r¡_ +sowQt-
haciendo operaciones, b2
3)
- (37,5wb-22sü11@-6) -fl * tt.uoo{ro): o
+l\b-734,4:0 y b:22,5
m de
anchura.
Determinar y situar las componentes de la fuerza debida a la acción del agua sobre la compuerta
de sector AB de la Fig. 2-10 por metro de longitud de compuerta.
Solución:
:
:
Pn :
Pn
fierza sobre la proyección vertical de CB : w h,nAro
1000(1X2 x 1):2000 kg, que actúa a (213)(2): 1,33 m de C
peso del agua sobre el área AB: 1000(n2214 x 1) : 3140 kg
que pasa por el centro de gravedad del volumen de líquido. El centro de gravedad del cuadrante de un círculo
está situado a una distancta de 413 x rf n de cada uno de los radios perpendiculares que lo limitan. Por tanto,
x"p
:
413
x 2ln :
0,85 m a la izquierda del radio 8C
Nota'. Cada una de las fuerzas elementales dP actúa normal a la curva AB y, por tanto, su línea de acción
pasa por el eje C. Lafuerza resultante también pasará por C.Para confirmar esta proposición, se toman momentos respecto de C, como sigue,
LMc:
-2000
x
1,33
+
3140
x
0,85
: 0
(luego se satisface)
Eje de giro
Aceite
D
Dr 0,800
Fig.2-r0
*ff.
I
Fig. 2-t
1
El cilindro de la Fig. 2-lI, de 2 m de diámetro, pesa 2500 kg y tiene una longitud de 1,50 m.
Determinar las reaceiones en I y B despreciando el rozamiento.
Solución:
La reacción en
o bien
(a)
I
es debida a
la componente horizontal de la fuerza que el líquido ejerce sobre el cilindro
P''
:
(0,800
x
1000)(1)(2
x
1,5)
:
2400 kg
dirigida hacia la derecha. Por tanto, la reacción en,4 es igual a 2400k9 dirigida hacia la izquierda.
30
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
[cAP.
2
(á) La reacción en -B es igual a la suma
algebraica del peso del cilindro y la componente vertical neta de la
fuerza debida a la acción del líquido. La acción del líquido sobre la superficie curvada CDB se compone
de la fuerza sobre la parte CD, dirigida hacia abajo, y la fuerza sobre DB, dirigida hacia arriba. La componente vertical neta es la suma algebraica de estas dos fuerzas.
Hacia arriba P',
:
:
peso de líquido (real o imaginario) sobre D.B
0,800 x 1000 x 1,5(área del sector DOB + área del cuadrado DOCEI
Hacia abajo Py
:
0,800
x
Se observa que el cuadrado
1000
x
1,5(área rayada DEC)
DOCE mer'os el área DEC
es
igual al cuadrante del círculo DOC,y la com-
ponente vertical neta será
(neta) Pn
Finalmente,
E
:
:
l:
0,800
0,800
0,
x
x
1000
1000
2500
-
x l,5(sectores DOB + DOC\ hacia ariba
x 1,5$nl2\: 1894 kg hacia arriba
1894
-
B
:0
y
B
:606 kg hacia
arriba
En este problema particular la componente hacia a¡riba (empuje) es igual al peso del líquido desplazado a la izquierda del plano vertical COB.
S'14.
Con referenciaalaFig.2-12, determinar las fuerzas horizontal y vertical, debidas a la acción del
agua sobre el cilindro de 1,8 m de diámetro, por metro de longitud del mismo.
1,272
--l-
Solución:
(a)
(Neta) P"
:
fte¡za sobre CDA
-
fuerza sobre
m
lB.
:
1000(1,2
+
0,768)(1,536
x
I
__){á:'i
i('"
i rQl
1)
3023 kg hacia la derecha
PH(AB):
looo(1,2 + l,4M)(0,264 x
:687 kg hacia la izquierda
(b)
(Neta) P,r
:
(Neta) Py
:
:
3023
687
-
:
I
¡r,2 m
Mediante las proyecciones verticales de CDA y de AB,
PE (CDA)
F
I
l)
2336 hacia la derecha.
fuerza hacia arriba sobre DAB
-fuerza hacia abajo sobre DC
peso del (volumen DABFED
-volumen DCGED\.
Fis.2-12
El área rayada (volumen) esLl contenida en cada uno de los volúmenes anteriores, estando las fuerzas
dirigidas en sentidos contrarios. Por tanto, se equilibran y
(neta)
P, :
peso del volumen DABFGCD
Dividiendo este volumen en formas geométricas convenientes,
(neta) Pn
:
:
:
peso de (rectángulo GFJC
x
+ triángulo CJB +
semicírculo CDAB\
x 1,272 x 1,272 + +n0,9,)$)
1000(1,5264 + 0,809 + 1,2717): 3600 kg hacia arriba
1000(1,2
1,272
+
|
Si se deseara situar esta componente vertical de la resultante, debería aplicarse el principio de los momentos.
Cada una de las partes de la resultante de 3600 kg actúa a través del centro de gravedad del.volumen que la origina. Por estática se determinan los centros de gravedad y puede escribirse la ecuación de momentos (véanse
los Problemas 7 y 9 anteriores)
XfS.
31
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
cAP. 2l
En la Fig. 2-l3,wcilindro de 2,4 m de diámetro cierra un agujero rectangular en un depósito de
0,9 m. ¿Con qué fuerza queda presionado el cilindro contra el fondo del depósito por la acción
de los 2,7 m de profundidad de agua?
Solución:
(Neta) Pn
:
fuerza hacia abajo sobre CDE
:1000x
:
2500
-
0,9[(2,1
810
:
-
fuerza hacia arriba sobre CA
y
BE
x2,4-lnl,22)-2(2,1 x0,162+$n1,22 |x0,6 x
1,038)]
ló90 kg hacia abajo
'rl
2.7\ ll
Fig.2-14
Fig.2.13
*
te
.
En la Fig. 2-14, el cilindro de 2,4 m de diámetro pesa 250 kg y reposa sobre el fondo de un depósito de 1 m de longitud. Se vierten agua y aceite en la parte izquierda y derecha del depósito hasta unas profundidades de 0,6 y 1,2 m, respectivamente. Hallar los módulos de las componentes horizontal y vertical de la fuerza quE mantiene al cilindro justamente en contacto con el
depósito en ,8.
Solución:
(Neta) P"
:
(Neta) Pn
:
:
:
componente sobre AB hacia la izquierda - componente sobre CB hacia la derecha
1000 x 0,6(1,2 x 1) - 1000 x 0,3(0,6 x 1):360 kg hacia la izquierda
:0,750 x
componente hacia arriba sobre AB + componente hacia arriba sobre C.B
peso del cuadrante de aceite * peso de (sector - triángulo) de agua
0,750 x 1000 x I x Lnnl,22 + 1000 x t(fur1,22 - * x o,oJt,os) : 1290 kg hacia arriba
Las componentes para mantener el cilindro en su sitio serán 360 kg hacia la derecha y 1040 kg hacia abajo
17.
El estribo semicónico ABE, que se muestra en la Fig. 2-15, se utiliza
para soportar la torre semicilíndrica ABCD. Calcular las componentes horizontal y vertical debidas alafierza que produce la acción del
agua sobre el estribo ,4.8,8.
Solución:
Ps
:
fiierza sobre la proyección vertical del semicono
:1000(1,5+lXlx3x2)
:7500 kg hacia la
Pn
:
:
:
derecha
peso del volumen de agua sobre la superficie curvada (imaginaria)
1000(volumen del semicono + volumen del semicilindro)
looo(+ x 3nl2l3 + L2nl2 x
:3925 ks hacia arriba
1,5)
Fig.2-15
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
32
18.
[cAP.
Una tubería de acero de 120 cm de diámetro y 6 mm de espesor transporta aceite de densidad relativa 0,822 bajo una carga de 120 m de aceite. Calcular (a) la tensión en el acero y (á) el espesor
del acero que se necesita para transportar el aceite bajo una presión de 18 kg/cm2 si la tensión de
trabajo admisible en el acero es de 13 kglmmz.
Solución:
o (tensión en kg/cm2)
la)
: p' (presión
(0,822
x
en kg/cm2)
t
x r (radio
(b)
o
: p'rlt,
1300
:
18
x 601t, ¡ :
en cm)
(espesor en cm)
x
1000
120)/104
x
60
0.6
19.
-- 986
kglcm2
0,83 cm.
Una gran tina de almacenamiento, de madera, tiene 6 m
de diámetro exterior y está llena con 7,20 m de salmuera, de densidad relativa 1,06. Las duelas de madera están
zunchadas con bandas planas de acero de 5 cm de anchura
por 6 mm de espesor, y la tensión de trabajo admisible
es de 11 kg/mm2. ¿Cuál debe ser el espaciado entre las
bandas cercanas al fondo de la tina si se desprecian las
tensiones iniciales? Referirse a la Fieura 2-16.
+p
Solución:
6m
---T
La fuerza P representa Ia suma de las componentes horizontales de las fuerzas elementales dP sobre la longitud y de la
tina y las fuerzas Irepresentan la fuerza de tracción total soportadas por la banda centrada sobre la misma longitud y. Como la
suma de fuerzas en la dirección X debe ser igual a cero, 2T (kg)
TA
Fig.2-16
-P(kg) :0obien
2(área del acero
De aquí,
x
tensión en el acero)
2(5
: p' x
x 0,6)1100:
| :
(1,06
proyección sobre
x
1000
x
Zy
7,21104)(600
del semicilindro
x y)
14,40 cm de espaciado entre bandas
Problemas propuestos
20.
Encontrar para la compuerta AB (Fig.2-17) de 2,50 m de longitud la fuerza de
compresión sobre eljabalcón CD ejercida por la presión del agua (8, C y D son
puntos articulados).
Sol. 7160 kg
21.
Una compuerta vertical rectangular AB de 3,6 m de altura y 1,5 m de anchura
puede girar alrededor de un eje situado 15 cm por debajo del centro de gravedad de la compuerta. La profundidad total del agua es de 6 m. ¿eué fuerza
horizontal .F ha de aplicarse en el fondo de la compuerta para mantener el equilibrio?
So/.
,,,
2
1490 kg
Determinar el valor de z (Fig. 2-18) de forma que la fiierza total sobre la barra BD no sobrepase los 8000 kg al suponer que la longitud en dirección perpendicular al dibujo es de 1,20 m y que la barra BD esfá articulada en ambos
extremos.
Sol.
1,84 m
Fig.2-U
cAP. 2l
23.
33
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
Un aceite de densidad relativa 0,800 actúa sobre un área
triangular vertical cuyo vértice está en la superficie libre
del aceite. El triángulo tiene una altura de 2,70 m y una
base de 3,60 m. Una superficie rectangular vertical de
2,40 m de altura está unida a la base de 3,60 m del triángulo y sobre ella actúa agua. Encontrar el módulo y posición de la fuerza resultante sobre la superficie total.
Sol. 36.029 kg a 3,57 m de profundidad
)
24.
En la Fig. 2-19 la compuerfa AB tiene su eje de giro en B y
su anchura es de 1,20 m. ¿Qué fuerza vertical, aplicada en
su centro de gravedad, será necesaria para mantener la
compuerta en equilibrio, si pesa 2000 kg?
Sol.
*
5200 kg
2s. Un depósito tiene 6 m de longitud y la sección recta mostrada en la Fig. 2-20. El agua llega al nivel AE. Determinar (a) la fuerza total que actúa sobre el lado BC y (b) el
módulo y la posición de la fuerza total sobre el extremo
ABCDE.
Sol. 86.400 kg, 42.336 kg a 3,33 m de profundidad
Fig.2-18
3,6 m
t__J_
Bt
4
tl
Fig.2-19
2,4m
Fig.2-20
Fis.2-21
compuerta semicilíndrica de 1,2 m de diámetro tiene una longitud de I m. Si el coeficiente de
rozamiento entre la compuerta y sus guías es 0,100, determinar lafterza P requerida para elevar la compuerta
si su peso es de 500 kg
Sol. 187 kg
V 26. En la Fig. 2-2lla
27.
Un depósito de paredes laterales verticales contiene 1 m de mercurio y 5,5 m de agua. Encontrar la fuerza que
actúa sobre una porción cuadrada de una de las paredes laterales, de 50 cm por 50 cm de área, la mitad de la
cual está bajo la superficie de mercurio. Los lados del cuadrado están situados verticales y horizontales respectrvamente.
So/. 1572 kg a 5,52 m de profundidad
triángulo isósceles, de base 6 m y altura 8 m, está sumergido verticalmente en un aceite de densidad relativa 0,800, con su eje de simetría hori
zontal. Si la altura de aceite sobre el eje horizontal es de 4,3 m, determinar
la luerza total sobre una de las caras del triángulo y localizat verticalmente
Sol. 82.560 kg, 4,65 m
el centro de presión.
?A. Un
29.
¿A qué profundidad se debe sumergir verticalmente en agua un cuadrado,
de 4 m de lado, con dos lados horizontales, para que el centro de presión esté
situado 25 cm por debajo del centro de gravedad? ¿Qué valor tendrá la fuer-
za Lotal sobre una cara del cuadrado?
Sol.
30.
3,33
m (lado superior), 85.330 kg
En la Fig. 2-22 e\ ctl'lndro de 2 m de diámetro y 2 m de longitud está sometido a la acción del agua por su lado izquierdo y de un aceite de densidad
relativa 0,800 por su lado derecho. Determinar (a) la fterza normal en B
si el cilindro pesa 6000 kg y (á) la fuerza horizontal debida al aceite y al
agua si el nivel de aceite desciende 0,50 m.
So/. 350 kg, 6200 kg hacia la derecha
Fig.2-22
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
34
F lt.
32.
[cAP.
2
En la Fig. 2-23, para una longitud de 4 m de Ia compuerta, determinar el momento no compensado respecto al
eje de giro O, debido al agua, cuando ésta alcanza el nivel l.
Sol. 18.000 mkg en el sentido de las agujas de un reloj
El depósito, cuya sección recta se muestra en la Fig. 2-24, tiene 2 m de longitud y está lleno de agua a presión.
Determinar las componentes dela fuerza requerida para mantener el cilindro en su posición, despreciando el
peso del mismo.
sot. (+6í-fu hacia ábajo, ó750 kg hacia la izquierda
V
|
\-
0,15 kg/cm2 (man)
o,l5
Fig.2-24
Fig.2-23
Fig.2-25
33.
Determinar las componentes horizontal y vertical, por metro de longitud, de la fuerza debida a la presión del
agua sobre la compuerta del tipo Tainter mostrada en la Figura 2-25.
So/. 4500 kg y 1630 kg
34.
Determinar la fuerza vertical que actúa sobre la bóveda semicilíndrica mostrada en la Fig. 2-26 cuando la presión manométrica leída en I es de 0,60 kglcmz. La bóveda tiene 2 m de longitud.
Sot. 12.600kg
35.
Si la bóveda del Problema 34 es ahora hemisférica y del mismo diámetro, ¿cuál es el valor de la fuerza vertical
sobre la misma?
So/. ó050 ke
Fig.2-26
36.
Con referencia a la Fig. 2-27, determinar (a)la fuerza ejercida por el agua sobre la placa del fo¡do AB de la tubería
de 60 cm de diámetro y (b)la fuerza total sobre el plano C.
Sol. 1410 kg, 21.200 kg
37.
El cilindro mostrado en la Fig. 2-28 tiene 3 m de longitud.
Si se supone que en
I
Fig.2-27
el ajuste no deja pasar el agua y que
el cilindro no puede girar, ¿qué peso debe de tener el cilindro para impedir su movimiento hacia arriba?
So/.
38.
2r tt
5490 kg
Una tubería de duelas de madera, de 1 m de diámetro interior, está zunchada con aros planos constituidos por
bandas de acero de 10 cm de anchura y 18 mm de espesor.
Para una tensión de trabajo admisible en el acero de 12
kg/mm2 y una presión en el interior de la tubería de 12
kglcm2, determinar el espaciado entre aros.
Sol. 36 cm
Fig.2-28
:
0,150
39.
35
FUERZAS HIDROSTATICAS SOBRE LAS SUPERFICIES
cAP. 2l
En el muro de retención del agua del mar mostrado en la Fig. 2-29, ¿qlué momento respecto de A, por metro-de
longitud del muro, se origina por la exclusiva acción de los 3 m de profundidad del agua (w : 1025 kg/m3)?
Sol. 16.200 mkg de sentido contrario a las agujas de un reloj
Fig.2-30
Fig.2-29
mostrado en la Fig. 2-30 tiene 3 m de longitud, y el fondo inclinado BC fiene 2,5 m de anchura. ¿Qué
profundidad de mercurio dará lugar a un momento respecto de C, por la acción de los dos líquidos, igual a
So/. 63 cm
14.000 mkg en el sentido de las agujas de un reloj?
40. El depósito
41. La compuerta de la Fig. 2-31 tiene 6 m de longitud. ¿Qué valores
acción del agua? Comprobar que el par respecto de O es nulo.
tienen las reacciones en el eje O debidas a la
Sol. 12.000 kg, 33.300 kg
42. Con referencia a la Fig. 2-32, vn placa plana con un eje de giro en C tiene una forma exterior dada por la
ecuación x2 + 0,5y: 1. ¿Cuál es la fuerza del aceite sobre la placa y cuál es el momento respecto a C debido
So/. 3800 kg, 5740 mkg
a la acción del agua?
P
Fig.2-32
Fig.2-31
2-33 la compuerta ABC de forma parabólica puede girar alrededor de A y está sometida a la acción
de un aceite de peso específico 800 kg/m3. Si el centro de gravedad de la compuerta está en B, ¿qué peso debe de
tener la compuerta, por metro de longitud (perpendicular al dibujo), para que esté en equilibrio? El vértice de
43. En la Fig.
la parábola es
U.
,4.
So/.
590 kg/m
En la Fig. 2-34 |a compuerta automática ABC pesa 3300 kg/m de longitud y su centro de gravedad está situado
180 cm a la derecha del eje de giro A. ¿Se abrirá la compuerta con la profundidad de agua que se muestra en
Sol. Sí
la figura?
Fig.2-33
Fig.2-34
Capitulo 3
Empuje
y flotación
PRINCIPIO DE ARQUIMEDES
El principio de Arquímedes viene siendo utilizado por el hombre desde hace unos 2200 años. El
volumen de un sólido irregular puede determinarse midiendo la pérdida aparente de peso cuando se
introduce completamente en un líquido de densidad relativa conocida. La densidad relativa de los líquidos puede determinarse por la profundidad de inmersión de un hidrómetro. Otras aplicaciones comprenden la teoria general de la flotación y problemas de ingeniería naval.
Todo cuerpo, sumergido total o parcialmente en un líquido, sufre un empuje vertical hacia arriba
igual al peso del líquido desplazado. El punto en el que actuala fuerza se llamá centro de emptrje. Coincide con el centro de gravedad del líquido desplazado.
ESTABILIDAD DE CUERPOS SUMERGIDOS Y FLOTANTES
Para la estabilidad de un cuerpo sumergido el centro de gravedad debe estar directamente debajo
del centro del empuje (centro de gravedad del líquido desplazado). Si los dos puntos coinciden, el cuer-
po sumergido está en equilibrio indiferente.
Para la estabilidad de cilindros y esferas flotantes el centro de gravedad del cuerpo
debajo del centro de empuje.
debe estar por
La estabilidad de otros cuerpos flotanles depende de si se desarrolla un momento adrizante cuando
el centro de gravedad y el centro de empuje se desalinean de la vertical debido al desplazamiento del
centro de empuje. El centro de empuje se desplaza porque cuando el objeto flotante se inclina, varía
la forma del volumen de líquido desplazado y, por tanto, su centro de gravedad pasa a otra posición.
Problemas resueltos
l.
Una piedra pesa 54 kg en el aire y 24 kg cuando está sumergida en
el agua. Calcular el volumen y la densidad relativa de la piedra.
Solución:
Todos los problemas en trabajos de ingeniería se analizan mucho mejor
mediante el empleo del diagrama del cuerpo libre. Con referencia a la figura
adjunta, se indica en ella el peso total de 54 kg que actúa hacia abajo, la tracción
en la cuerda de unión a la balanza de 24 kg dirigida hacia arriba y el empuje
P, gue actúa también hacia arriba. De
se trene
>Y:0
54 - 24 - Pv:0 y Pr:30
36
kg
Fig.3-l
EMPUJE
cAP. 3l
5t
Y FLOTACION
: al peso del líquido desplazado,
24kg: 1000 kg/m3 x u
Como el empuje
Densidad relativa
2.
:
y
peso de la piedra
54
peso de un volumen igual de agua
1A
u
:0,024
m3
:))5
Un objeto prismático de 20 cm de espesor por 20 cm de anchura y
40 cm de longitud se pesa en el agua a una profundidad de 50 cm,
dando la medida 5,0 kg. ¿Cuánto pesa en el aire y cuál es su densidad
relativa
?
Solución:
Con referencia al diagrama del cuerpo libre de la Fig. 3-2, I Y
o (1) W:5,0+Pv
W-Pr-5,0:0
Empuje Pn : peso del líquido desplazado
: 1000(0,2 x 0,2 x 0,4) : 16,0 kg.
Por tanto, de (l\, W: 5 + 16 : 2l kCY Dr : 2Ul6 :
3.
:
0; de aquí
1""
Fig.3-2
l,3l
Un hidrómetro pesa 2,20 g y su extremo superior es un vástago cilíndrico de 0,2800 cm de diámetro. ¿Cuál será la diferencia entre las longitudes de emergencia del vástago cuando flota en aceite
de densidad relativa 0,780 y en alcohol de densidad relativa 0,82I?
Solución:
Para la posición 1 de la Fig. 3-3 en el alcohol,
peso del hidrómetro : peso del líquido desplazado
de donde ur
:
0,0022:0821
Para la posición
2,
0,0022:0,780
:
de donde h :
x
1000
x
u'
0,00000268 m3 (en alcohol).
0,780
x
x
1000(ut+ Ah)
1000[0,00000268
2,28 cm.
0,0228 m
:
+
ln(0,281100)zhf
Dr
0,821
Fig.3-3
4.
rJnapieza de madera de densidad relativa 0,651 es de sección cuadrada 7,50 cm de lado y 1,50 m
de longitud. ¿Cuántos kilogramos de plomo de peso específico 11.200 kg/-t deben unirse a uno
de los extremos del listón de madera para que flote verticalmente con 30 cm fuera del agua?
Solución:
:
peso del agua desplazada
Peso total de madera y plomo
1000 x 1,5(0,07sF + 11.200u]: 1000[(0,075\2 x r,2-t u]
[0,651 x
oe donde u
5.
:
0,0001232 m3
y
peso del plomo
: ll.200u:
11.200
x
0,0001232
:
1,38 kc.
¿Qué fracción del volumen de una pieza sólida de metal de densidad
relativa 7,25 flofará sobre la superficie del mercurio, de densidad reIativa 13,57, contenido en un recipiente?
Solución:
El diagrama del cuerpo libre indica que de E I: 0, W
peso del cuerpo : empuje (peso del mercurio desplazado)
'7,25
x
1000u
:
13,57
x
1000u'
Pn
:
:
0,535.
: I-
0,535
y, por tanto, la relación de los volúmenes u'fu :7,25113,57
De aquí la fracción del volumen sobre el mercurio
-
Qs
:
0;465.
Fig.3-4
EMPUJE
38
6.
Y FLOTACION
[cAP.
3
Unagabarrarectangular, de l0mpor4mde basey 5 mdeprofundidad, pesa54toneladasyflota
sobre agua dulce. (a) ¿Qué profundidad se sumerge? (ó) Si el agua tiene una profundidad de 5 m,
¿,qué peso de piedras debe cargarse en la gabarra para que ésta repose sobre el fondo?
Solución:
: peso del agua desplazada
54x1000:1000(10x4xY)
Peso de la gabarra
\a)
(b)
7.
Peso de
la
f:1,35msumergida
gabarra más las piedras : peso del agua desplazada
54 x 1000 +Ws: 1000(10 x 4 x 5) Ws: 146.000 kg de piedras
Un bloque de madera flota en el agua sobresaliendo de la superficie 5 cm. Cuando se pone en glicerina, de densidad relativa 1,35, sobresalen 7,5 cm de la superficie del líquido. Determinar la densidad relativa de la madera.
Solución:
: Dr x 1000(l x á), y los pesos del agua y la glicerina desplazados son,
y (c) We : 1,35 x 1000(¿ - 0,075).
Como cada uno de los pesos de líquidos desplazados es igual al peso del bloque, (á) : (c), o bien,
El peso total de la pieza es (a) W
respectivamente, (b) Ww:1000(¿
r000A(h
Como (a)
8.
:
0,05)
-
0,0s):
Dr x 10001 x 0,1464:
(á),
x
1,35
r000A(h
1000
x
-
0,075)
A(0,1464
-
0,05)
h:
Dr
0,1464 m
:
0,660
¿A qué profundidad se hundirá un tronco de2,40 m de diámetro y 4,50 m de longitud, en agua dulce,
si la densidad relativa de la madera es de 0.425?
Solución:
En la Fig. 3-5 se dibuja con el centro O del tronco sobre la superficie libre del agla, ya que su densidad relaüva es menor de 0,500. Si la densidad relativa fuera 0,500 estaria sumergida la mitad del tronco.
Peso total del tronco
:
peso del líquido desplazado
- 2 triángulos
1000x n1,22 x4,5:1000 x 4,5(-1,44n-2xlx 1,2 sen 0x
JÓU
sector
0,425x
Simplificando
y sustituyendo ] sen 20 por sen 0 cos 0,
0,425n:0nll80-lsen20
Resolüendo por aproximaciones sucesivas:
Para 0
Para 0
:
:
85':
83':
1,335
i
852/180
r,335
+
t,397
+
r,328
El valor buscado est¡i entre los dos
0: 83"10':
+(0,1737)
1,335: r,44s-+(0,242)
r,335
Para
-
1,335
f
:
1.451
-
ensayados.
Fig.3-5
+(0.236)
1,333 (suficiente aproximado).
La profundidad con que flota DC
: r-
OD
:
1,2
:
1.2(l
-
1,2 cos 83'10'
-
0,119)
:
1,057 m.
1,2
cos 0)
EMPUJE
cAP. 3l
9.
39
Y FLOTACION
(a) Despreciando el espesor de las paredes del
depósito en la Fig" 3-6(a), si el depósito flota
en la posición indicada, ¿cuál es su peso? (á) Si
el depósito se mantiene de forma que su parte
superior está 3 m por debajo de la superficie
libre, ¿cuál es la fuerza que actúa sobre la
parte interior de la base del depósito?
R*{ _T
F
t-il
0,90 m
-T
Solución:
(a) peso der depósito
(ó)
0,30 m
0,60 m
I
ffi"#ü:11.j'ilril.
El espacio ocupado= por el aire será menor en la
nueva profundidad, según se muestra en la Figura 3-6(á). Suponiendo que la temperatura del
aire es constante, se verficará para las posiciones (a) y (á),
p,p,t
w(10,33
+
0,3X1,2
de la que se deduce y2
+
x
13,33y
área)
-
:
:
12,15
pruo (hay que utilizar
w(10,33
:
Fig.3-6(ó)
Fig.3-6(o)
+
3
+ y)0 x
presiones absolutas)
área)
0 y como la raiz ha de ser positiva _y : 0,90
m.
La presión en D : 3,90 m de agua (man) : presión en .8. De aquí, la fuerza sobre el interior del extremo superior del cilindro es w hA: 1000(3,9)(n0,62) : tAl| kg'
10.
lJn barco, con los costados verticales a la altura de la línea de flotación, pesa 4000 toneladas
y en agua salada (w : 1025 kg/mt) tiene un
calado de 6,60 m. Al descaryar 200 toneladas
la profundidad de inmersión disminuye a
6,30 m. ¿Cuál será el calado d del barco en
agua dulce?
Solución:
6,30m
Como se desconoce la forma de la parte del
¿ 6.66t
barco sumergida en el agua, es preferible resolver el
problema a partir de los vohlmenes desplazados.
En 0,30 m disminuye el calado cuando se reduce
el peso en 200 toneladas o bien
200
x
1000
-- ut) : 1025(l x
0,3)
Fig.3-7
donde u representa el volumen entre los calados 6,6
y 6,3 m y (A x 0,3) representa el área de la sección
recta a la altura de la línea de agua por 0,3, es decir,
el mismo volumen u. Por tanto,
::-:;11; Tl Tlll]'i.;,il#'f;1 "l.i i;::'::,*; ::[::.. desp,azad.
"
En la figura, el volumen con rayado vertical representa la diferencia entre los volúmenes desplazados en
Empuj e
agua dulce y en agua salada. Esta diferencia puede expresarse en la
ro.-u
{ryffi
por otra parte, es también igual a 650y. Igualando estos valores, ,/:0,154
El calado d: 6,3 + 0,154 : 6,454 o bien 6,50 m.
-
"oor#rtooo, ,,
m.
11. Un barril que contiene agua pesa 128,5 kg. ¿Cuál será la lectura en una balanza si se mantiene su-
mergido vérticalmente en el agua a una profundidad de 60 cm un listón de madera de 5 cm
por 5
cm?
Solución:
A toda fuerza
se opone
otra fuerza de reacción igual y opuesta. El empuje vertical hacia arriba ejercido por
40
EMPUJE
Y FLOTACION
[cAP.
3
el agua sobre la cara inferior del listón de madera da lugar a la acción ejercida por dicha área de 5 cm por
5 cm sobre el agua hacia abajo y de igual módulo. Esta fuerza dará lugar a un aumento de la lectura en la
balarrza.
Pr:1000x0,05x0,05x0,60:l,50kC.Lalecturaenlabalanza:128,5+1,5:130,0kg.
12.
Un bloque de madera de 1,80 m por 2,40 m por 3,00 m flota en un aceite de densidad relativa 0,751.
Un par del sentido de las agujas de un reloj mantiene el bloque en la posición mostrada en la Figura 3-8. Determinar (a) el empuje que actúa sobre el bloque en esa posición, (á) el valor del par que
actúa sobre el bloque y (c) la situación del metacentro en la posición indicada.
Fig.3-E
Solución:
la)
: peso del prisma triangular de aceite (o empuje)
: B' : (0,751 x 1000)(j x 2,40 x 1,3854 x 3): 3746 kg
Peso del bloque
W
Por tanto, B' : 3746 kg que actúa hacia arriba a través del centro de gravedad O' del aceite desplazado.
El centro de gravedad está situado a 1,5999 m de A y 0,4620 m de D, como se muestra en la figura.
AC
:
AR + RC
:
AR + LO' -- 1,5999 cos 30o + 0,4620 sen 30o : 1,6164 m
El empuje de 3746 kg actúa hacia arriba a través del centro de gravedad del aceite desplazado, que
está situado a 1,62 m a la derecha de l.
(b)
Un procedimiento para obtener el valor del par adrizante (que debe ser igual al valor del par exterior que
lo mantiene en equilibrio) es el de encontrar la excentricidad e. Esta viene definida por la distancia entre
las dos fuerzas W y B', iguales y paralelas, que dan lugar al par adrizante o restaurador.
ya
que
e
AF
:
:
FC : AC
AR + R¡
:
AF : 1,6164 - AF : 1,6164 - 1,4889 : 0,1275 m
AR + GR sen 30. : 1,3854 + 0,2073É): 1,4889 m
F,lpar lle o B'e :3746 x 0,12'75 :478 mkg. Así, el momento o par para mantener el bloque en la
posición mostrada es de 478 mkg del sentido de las agujas de un reloj.
(c)
El punto de intersección de la recta de acción del empuje con el eje de simetría S-S se llama metacentro
(punto M de la figura). Si el metacentro está situado sobre el centro de gravedad del objeto flotante, el peso
del objeto y el empuje dan lugar a un par restaurador o adrizante para posiciones inclinadas.
La distancia metacéntrica MG
: MR - GR: ^Í-- sen JU'
GR
: Y u,)
0,2073
:0,255
m.
Se observará que la distancia MG mútiplicada por el seno del ángulo 0 es igual a la excentricidad e
(calculada anteriormente por otro procedimiento).
En ingeniería naval, un ángulo máximo de 10' es el que se toma como límite de escora para el que la
distancia metacéntrica MG tie¡e que mantenerse constante. Existen fórmulas para situar exactamente la
posición del metacentro, pero éstas caen fuera del objeto de una introducción a la mecánica de los fluidos.
EMPUJE
cAP. 3l
4l
Y FLOTACION
Problemas propuestos
13. Un objeto pesa 30 kg en el aire y 19 kg en el agua. Determinar su volumen y su densidad relativa.
Sol. 1,1 x 10-2 m3, 2,73
14. Un cuerpo pesa 30 kg en el aire y 19 kg sumergido en un aceite de densidad relativa 0,750. Determinar su volumen y su densidad relativa.
Sol. 1,47 x l0-2 m3, 2,04
15.
Si el peso específico del aluminio es 2700 kg/m3, ¿cuánto pesará una esfera de 30 cm de diámetro sumergida en
agua? ¿Cuánto si estli sumergida en un aceite de densidad relativa
0,750?
Sol. 24,0 kg,27,5 kg
16.
Un cubo de aluminio de 15 cm de arista pesa 5,5 kg sumergido en el agua. ¿Qué peso aparente tendrá al sumerSol. 4,66 kg
girlo en un líquido de densidad relativa 1,25?
17.
Un bloque de piedra pesa 60 kg y al introducirlo en un depósito cuadrado de 60 cm de lado, lleno de agua, el
bloque pesa 33 kg. ¿Qué altura se elevará el agua en el depósito? Sol. 7,5 cm
18.
Un cilindro hueco de
19.
So/. 423,2 kg, 385,4 kg
Un hidrómetro pesa 1l g y el
1 m de diámetro y 1,5 m de altura pesa 400 kg. (a) ¿Cuántos kilogramos de plomo, de peso
específico 11.200 kg/m3, deben unirse al fondo por su parte exterior para que el cilindro flote verticalmente con
I m del mismo sumergido? (ó) ¿Cuántos kilogramos se necesitarán si se colocan en el interior del cilindro?
área de
la
sección recta de su vástago es 0,16 cm2. ¿Cuál es
alturas sumergidas en dos üíquidos de densidades relativas 1,25
y
0,90,
la diferencia
respectivamente? Sol.
de
21,4 cm
20.
¿Qué longtud debe de tener un tablón de madera de 7,5 cm por 30 cm de sección y densidad relativa 0,50 en
Sol. 3,81 m
agua salada para soportar encima a un niño que pesa 45 kg?
21.
Un cuerpo que tiene un volumen de 170 dm3 requiere una fuerza de27 kg para mantenerlo sumergido en el agua.
Si para mantenerlo sumergido en otro líquido se necesita una fuerza de 16 kg, ¿cuál es la densidad relativa de
este último
))
líquido?
Sol.
0,935
Unagabarrade3mdeprofundidadtieneunasecciónrectatrapezoidaldebasessuperioreinferior9my6m,
respectivamente. La gabarra tiene 15 m de longitud y las caras de popa y proa son verticales. Determinar (a) su
peso si la altura sumergida en agua es de 1,8 m y (á) la profundidad de calado si la gabarra transporta 86 tone'
So/. 186.300 kg, 2,50 m
ladas de piedra.
23.
Una esfera de 120 cm de diámetro flota en agua salada (w : 1025 kg/mt), la mitad de ella sumergida. ¿Qué peso
mínimo de cemento (w : 2400 kg/-t), utilizado como anclaje, será necesario para sumergir completamente
la esfera? So/. 810 kg
u.
Un iceberg de peso específico 912 kglm3 flota en el océano (1025 kg/m3), emergiendo del agua un volumen
lO0 m3. ¿Cuál es el volumen total del iceberg? So/. 5440 m3
25.
Un globo vacío y su equipo pesan 50 kg. Al iffiarlo con un
26.
Un flotador cúbico de 120 cm de lado pesa 180 kg y se ancla mediante un bloque de cemento que pesa 680 kg
en el aire. La boya está sumergida23 cm cuando la cadena que la une al bloque de cemento está tensa. ¿Qué
subida del nivel de agua hará separarse del fondo al bloque de cemento? El peso específico del cemento es de
24Cf|. kglm3.
Sol. 17,10 cm
27.
Una gabarra, de forma paralelepipédica rectangular de dimensiones 6 m de anchura, 18 m de longitud y 3 m de
de
gas de peso específico 0,553 kg/m3 el globo adopta
forma esférica de 6 m de diámetro. ¿Cuál es la máxima carga que puede elevar el globo, suponiendo un peso esSol. 26,5 kg.
pecífico del ai¡e igual a 1,230 kglm3?
altura,pesa160.000kg.Flotaenaguasalada(ru:1025kg/mt)yel
centrodegravedadcargadoestál,35mpor
debajo de la parte superior de la gabarra. (a) Situar el centro de empuje cuando flota horizontalmente en agua
tranquila, (ó) cuando ha girado 10'alrededor del eje longitudinal y (c) determinar el metacentro para la inclinaSol. 0,122 m del fondo y sobre el eje, 0,362 m del eje, 1,152 m sobre el CG
ción de 10'.
15 cm de lado estii suspendido de un resorte. La mitad del cubo está sumergido en
aceite de densidad relativa 0.80 v la otra mitad en agua. Determinar Ia fuerza de tracción en el resorte si el peso
Sol. 5,87 kg
específico del aluminio es de 2640 kg/m'.
28. Un cubo de aluminio de
29.
Si el cubo del problema anterior estuviera sumergido la mitad en aceite y la otra mitad en el aire, ¿qué valor
tendría \a fiierza de tracción sobre el resorte? So/. 7,56 kg
Capitulo 4
Traslación
y rotación de masas líquidas
INTRODUCCION
-
Un fluido puede estar animado de un movimiento de traslación o rotación, sometido a una
aceleración constante, sin movimiento relativo entre sus partículas. Esta es una de las condiciones del
equilibrio relativo y el fluido está libre de tensiones cortantes. En general no existirá movimiento entre
el fluido y el recipiente que lo contiene. Son aplicables aún los principios de la estática, modificados
para tener en cuenta los efectos de la aceleración.
MOVIMIENTO HORIZONTAL
En el caso de un movimiento horizontal la superficie libre del líquido adopta una posición inclinada y plana. La pendiente del plano se determina mediante
tgo:
La deducción de la ecuación general para Ia traslación se da en el Problema
4.
MOVIMIENTO VERTICAL
Para el movimiento vertical la presión (lkglm') en un punto cualquiera del líquido viene dada por
p - u,h(l t:)
en la que el signo positivo se aplica cuando la aceleración
leración constante es hacia abaio.
.l
fru.iu arriba y el negativo cuando la ace-
ROTACION DE MASAS FLUIDAS. RECIPTENTES ABIERTOS
La forma de la superficie libre de un líquido que gira con el recipiente que lo contiene es un paraboloide de revolución. Cualquier plano vertical que pasa por el eje de revolución corta a la superficie
libre según una parábola. La ecuación de esta parábola es
?l
==
6r"
donde x e / son las coordenadas, en metros, de un punto genérico de la superficie, medidas con el origen en el vértice situado en el eje de revoluciót, y ü la velocidad angular constante, medida en radianes por segundo. La demostración de esta fórmula se da en el Problema 7.
ROTACION DE MASAS FLUIDAS. RECIPIENTES CERRADOS
En los recipientes cerrados aumenta la pregión al girar los recipientes. (Véase también Capítu42
TRASLACION
cAP. 4l
Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS
43
lo 12.) El aumento de presión entre un punto situado en el eje y otro a una distancia de x metros del eje,
en el mismo plano horizontal, es
P (kglm2¡ = *{*"
¿ll
y el aumento de la altura de presión (m)
será
I:u-{a."
que es una ecuación análoga a la aplicable a recipientes abiertos en rotación. Como la velocidad lineal
V : xu), el término x2alf2g : V2l2s da la altura de velocidad, en m, como se verá más adelante.
Problemas resueltos
V1.
Undepósitorectangularde 8 mdelongitud,3 m deprofundidad y2mde anchuracontiene 1,5 m
de agua. Si está sometido a una aceleración horizontal en la dirección de su longitud de 2,45 mfseg2,
(a) calcular lafierza total sobre cada uno de los extremos del depósito debido a la acción del agua
y (ó) demostrar que la diferencia entre estas fuerzas es igual a la fierza no equilibrada, necesaria
para acelerar la masa líquida. Referirse a la Figura 4-1.
Solución:
:2!:o,zso
y
9,80
teo:
la)
o:r4"2'
A partir de la figura, la profundidad d en el extremo d. -.no. profundidad es d :
4 tg l4'2' : 0,500 m, y en el extremo más profundo será 2,50 m. Por tanto,
Pae: wh"nA :
P¿p: wh"nA:
b\
Fuerza necesaria: masa del asua
x
1000(2,5012)(2,50
x
1000(0,500/2X0,500
aceleración lineal
2)
:
1,5
- | :
1,5
-
6250 kg
x 2) :250
kg
: 8x2x1,5x1000 x
2,45
:6000
kg,
9,80
!
P.tn
- Pco:
6250
'
250
:6000 kg, que coincide con el valor antehor.
:J-a
uJ-1.5 m
I
ld
r
l*-
¡ n, ---*]Dl
--+
Fig.1-2
Fig.4-1
* 2.
a''
Si el depósito del Problema 1 se llena de agua y se acelera en la dirección de su longitud
1,52 mfseg2, ¿cuántos litros de agua se verterán del depósito? Referirse alaFigwa 4-2.
a
Solución:
Pendiente de la superficie
perficie:8 tg 0:1,24m.
Volumen derramado
:
tg e
:
1,5219,8
:
0,155, y la diferencia de niveles entre los extremos de la su-
: 2 x sección recta triangular mostrada
: 2G , 8 x 1,24) :9,92 m3 :9920 l.
en la Fig:¡a 4-2
44
13.
TRASLACION
Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS
[cAP.
4
Un depósito de base cuadrada de 1,50 m de lado contiene I m de agua. ¿Qué altura deben de tener
sus lados para que no se derrame agua al someterlo a una aceleración de 3,66 mlseg2 en dirección
paralela a un par de lados?
Solución:
Pendiente de la superficie : tg 0 : 3,6619,8 : 0,373.
Elevación (o descenso) de la superficie:0,75 W e:0,j5 x 0,373 :0,28 m.
El depósito debe tener al menos 1 + 0,28 : 1.28 m de profundidad.
(ü.ui,**t\
}. 4. Un
ñ,qi)
recipiente que contiene agua se aceIera paralelamente y hacia arriba de un
plano inclinado 30", con el horizontal
a 3,66 m/seg2. ¿Qué ángulo formará la
superficie libre con la horizontal?
Solución:
Con referencia a la figura, las fuerzas que
actúan sobre cada partícula dM son su.peso
W, vertical y dirigido hacia abajo, y la fuerza P ejerctda por el resto de partículas que la
rodean. Esta fuerza P es normal a la superficie, ya que no actúan fuerzas cortantes. La
fuerza resultante F, (debida a W y P) sobre
cada partícula de líquido debe ser paralela al
plano XX, que forma un ángulo de a : 30'
con el horizontal, y estar dirigida hacia arn-
(b)
ba, de forma que dé lugar a la aceleración
común c,. La Fig. 4-3(á) muestra el diagrama
vectorial correspondiente. Ahora pueden esestablecerse las relaciones sisuientes:
W
(1) F,:-a,
o
Multiplicando
{
Fig.l-3
F':o'
WC
o
(2) { sen a: P cos 0-w
(J) F,cosa:Psen 0
del diagrama
(2) por sen 0 y (3) por cos 0 y operando, se llega a
sen a sen 0
Sustituyendo en (1)
y
+ W sen 0- {
cos a cos
0:
.4,
Nota'.
F,
'W
sen 0
cosdcos0-senasen0
simplificando,
(:4) --:
(A)
0
vectorial
cts 0
cosdctg0-sena
:tg 30' +t**
:
de la que por ser
0.s7i*
*jf,*:
a:
:,os
30"
y 0:
15"12'
Para un plano horizontal, el ángulo a es igual a 0' y la ecuación (4) se transforma en af g
:
tg g, que
la ecuación dada para el movimiento con aceleración horizontal. Para una aceleración paralela al plano, pero
dirigida hacia abajo, la tg 30' de la ecuación (A) lleva un signo menos delante.
es
¡.5.
Un depósito cúbico está lleno con 1,50 m de aceite de Dr 0,752.Determinar la fuerza que actúa
sobre uno de los lados del depósito (c) cuando se somete a una aceleración vertical y dirigida hacia
arriba de 4,90 m/seg2 y (á) cuando la aceleración de 4,90 mfseg2 es vertical y dirigida hacia abajo.
Solución:
(a)
La Fig. 4-4 muestra la distribución de presiones sobre el lado vertical AB. En.B el valor de la presión en
kgfm2 es
TRASLACION
cAP. 4l
pn:
wh(l +
Fuerza
Pou:
:
a :
:)
g
0,752
x
Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS
45
4.9
: 1692 kglm2
Y,ó
=)
de'carga x 1,5 m de longitud
1000(1,5X1
área del diagrama
(+ x 1692 x r,5)(r,5)
:
+
T
1900 kg
I
1,50 m
Otra forma de hallarla
sería
pa6: wh"nA: p"sA:10,752 x
:
(b)
* 0.
pAa:
lo,7s2
x
1000(0,75x1
* 3ll
Y,ó
I
(1.5
x
-l
1,5)
1900 kC
r000(0,75x1
- ffi,r
(1,5
x
1,5)
: 635 kc
Fis.l-1
Determinar la presión en el fondo del depósito del Problema 5 cuando está sometido a una aceleración vertical hacia abajo de 9,80 m/seg2.
Solución:
pD:0,752 x 1000(1,5)(t -9,819,8):0 kslm2
De aquí, para una masa líquida en caída libre, la presión en el interior de su masa, en cualquier punto, es
nula, es decir, igual a la presión atmosférica de los alrededores. Esta conclusión es importante al considerar corrientes de agua que caen libremente a través de la atmósfera.
7. Un recipiente
abierto, parcialmente lleno de un líquido, gira alrededor de su eje vertical con una
velocidad angular constante. Determinar la ecuación de la superficie libre del líquido cuando éste
haya adquirido
la velocidad angular del
recipiente.
C
Pcos
(¿)
a
(b)
Fig.1-5
Solución:
En la Fig. 4-5(a) se representa una sección del recipiente sometido a rotación y una partícula genéica A sítuada a una distancia x del eje de rotación. Las fuerzas que actúan sobre la masa A son su peso W, vertical y
dirigido hacia abajo, y P que es normal a la superficie libre del liquido, ya que no existen tensiones cortantes. La
aceleración de la masa A es xa2, dirigida hacia el eje de rotación. La resultante de las fuerzas W y P debe acfiar
en la misma dirección que esta aceleración, como se muestra en la Figura 4-5(á).
Del segundo principio de Newton, F,
De
EI¡:
: Ma,
o
0
Dividiendo
W
Q) P sen 0 : -¡s12
o
(2) Pcos0:W
^ xa2
(J) tgu:o
(I) por (2),
Ahora bien, 0 es también el ángulo entre el eje X y la tangente en A a la curva, Fig. 4-5a. La pendiente
de esta tangente es tg 0 o bien dyldx. Sustituyendo este valor en (3)
X:+
de la cual, Por
intesración,
Para calcular la constante de integración Cr: Cuando x
:
0,
, : Ex2 + C,
y: 0 debe ser Cl :
0.
46
*s.
TRASLACION
Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS
[cAP.
4
Un depósito cilíndrico abierto, de 2 m de altura y 1 m de diámetro, contiene 1,5 m de agua. Si el
cilindro gira alrededor de su eje geométrico, (a) ¿qué velocidad angular se puede alcanzar sin que
se derrame nada de agua? (b) ¿Cuál es la presión en el fondo del depósito en C y D cuando
rr¡ : 6,00 rad/seg?
Solución:
(a) Volumen del paraboloide
de revoluci5¡
:
|(volumen del cilindro circunscrito): llinl'z(O,s +
y)]
Si no se derrama líquido, este volumen ha de ser igual
al volumen sobre el nivel original del agua A-A, es decir,
lllnr,
e
+ _yr)l :
(0,s
+nr2 (o,s)
i/r : 0,5 m.
. t\
\y
Para generalizar, el punto de la superficie libre en el
eje de rotación desciende una altura igual a la elevación
que sufren los puntos del líquido en contacto con las pa-
I
redes del recipiente.
A partir de esta información, las coordenadas x e J,
de los puntos B son, respectivamente, 0,50 y 1,00 m, to-
A
I
Ar
_l_
mando el origen en S. Por tanto,
@2
': ,r*'
^:
Ú)2
1,0 u
de donde, r¡
(b) Para a:
tIt:
:
{u,)u)¿
-
8,86 rad/seg.
6,00 radlseg,
a)2
:
"
)o
-x'
ffi,0,t,'
:
0.458 m de S
:
El origen S cae jy 0,229 m y S,
1,50
0,229
1,271 m del fondo del
paredes del depósito la profundidad:
1,729 m (o bien 1,50 + 0,229
1,729
En C,
wh
1000 x 1,271
En D,
wh
1000 x 1,729
:
-
:
:
p¿:
p¡:
-* g.
:
:
:
por tanto, está a
depósito. En las
1,271*
0,458
m).
.
t2'71 kglm2
1729 kelm2
Considérese el depósito del Problema 8 cerrado
el aire sobre la
=
Fig.4-6
y con
libre a una presión de
1,09 kglcm2. Cuando la velocidad angular es de
L2,0 ra4lseg, ¿cuáles son las presiones, en kgfcm2,
en los luntos C y D de la Figura 4-7?
superficie
-T
B
0,5 m
,+
Solueión:
Como no hay variación de volumen en el aire interior al
I
recipiente,
volumen sobre el nivel
o
A-A:
I
volumen del paraboloide
1,5 m
(1) tnr2 x s,5s: lnxltz
bien
Además
(2)
,, :
ffi
rZ
c
Resolviendo el sistema de ecuaciones simultáneas (I) V Q),
xt : 0,034. De donde xz : 0,43 m e lz: 1,35 m.
A partir de la figura, ^S está situada a 2,00 - 1,35 : 0,65 m
sobre C. Por tanto,
pc'
:
1,09 + whllla
:
1,09
+
1000(0,65)/104
:
1,155 kglcmz
Fig.l-7
cAP. 4l
TRASLACION
Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS
:
Para calcular la presión en D, la altura de presión es -/r
p¿'
\D
¿r
:
1000(1,65
+
0,65)/104
+
1,09
47
: W{^
ffi(0,5)'
:
sobre ^s y
r,320 kglcm2
10. (a) ¿A qué velocidad debe girar el depósito del Problemag
para que el centro del fondo tenga una
profundidad de agua igual a cero? (á) Si la pared lateral del depósito tiene un espesor de 6 mm,
¿cuál será la tensión que soporta a la altura del fondo?
Solución:
(a) El origen S coincidirá
ahora con el punto C de la Figttra 4-7.
Volumen sobre la superficie del líquido
o
(/) f,nl2 x 0,50 :
bien
(2t Yz:
Además
De (1) y (2) se obtiene
(b) po'
\.
N
a¡2
2'00
:313,6 y a:17,7
:
volumen del paraboloide
lnxlQ,}})
: #*fi
radlseg.
: t,on * ft, donde ft : lt:g#W:4,0 m,
: 1,0e * toor%i o : r,4e kslcm'. l-u t.r'.ion en D : oo:4: qilf : r24 kslcm2.
11. Un depósito
cilíndrico cerrado de 2 m de altura y 1 m de diámetro
contiene 1,50 m de agua. Cuando gire a una velocidad angular constante de 20,0 radfseg, ¿qué área del fondo quedará al descubierto?
Solución:
Con el fin de determinar la parábola dibujada en la figura adjunta hay
que determinar primero el valor de y.. Ahora bien,
).
:
Q0f
t;-e,8
(o.so)2
:
5,lo
(/)
(2)
(r)
v,
I
I
I
rl
ll
llilá
m
con lo que puede dibujarse la superficie del agua, mostrando que
debajo del fondo del depósito. Ahora,
T-
^S
está por
: 2x9.8'
.Qof x1
=
lz:2 t yt:
inlt , 0,50 :
:
(20)'
taag_g
xl, y
como el volumen del aire es constante,
volumen (paraboloide SAB
t"t1y,
-
fuxtyr.
Sustituyendo los valores de (1)
y
(2)
y
-
paraboloide SCD)
despejando,
x? : 0,0136 !
xt:0,1166 m.
:
De donde área descubierta
n(0,1166)2 :0,M28 m2.
Fig.4-8
12. Un cilindro cerrado
de 1,80 m de diámetroy 2,70 m de altura está completamente lleno de glicerina, Dr : 1,60, bajo una presión en el extremo superior de 2,50kglcm2. Las chapas de que está
formado el cilindro tienen 13 mm de espesor y son de acero con una tensión de trabajo admisible
de 850 kglcmz. ¿A qué velocidad rnáxima, en rpm, puede girar el cilindro?
Solución:
A partir
de las especificaciones del cilindro y de la fórmula que da la tensión circunferencial o
: p'rlt,
TRASLACION
p2
Además,
o
bien
Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS
: otlr:
850(1,3)/90
pi: 2 presiones (2,50 impuesta *
12.30
:
1000
2.50 +
x
100
2,70
:
[cAP.
4
12,30 kslcm2
debida a los 2,70 m de glicerina
(,)2
x looo
*zrg,axu,9"x l,6o 10-
*
debida a
la rotación)
kg/cm-
Despejando, a:37,58 rad/seg o bien 360 rpm.
Las condiciones de presión se representan gráficamente, aunque no a escala, en la Fig. 4-9. La horizontal
RS? indica la altura de presión de 15,6 m de la glicerina, antes de la rotación, en la parte superior del depósito. La curva que da la distribución parabólica de presiones con vértice en S es producida por la velocidad angular constante de 37,58 rad/seg. Si el recipiente estuviese lleno, pero sin presión, el vértice S estaría situado en
la parte superior e interior al
recipiente.
mf+-r,zo
m
Fig.1-10
Fig.4-9
1,20 m de longitud se llena con un aceite de Dr 0,822 y
a continuación se cierra en sus dos extremos. Puesto en posición horizontal, se le' hace g;rar a
27,5 radfseg alrededor de un eje que dista 30 cm de uno de los extremos.¿Qué presión se desarrollará en el extremo del tubo más alejado del eje, medida enkgfcm2?
13. Un tubo de 7,50 cm de diámetro y
Solución:
Como se hizo notar anteriormente, la presión aumenta a lo largo de la longitud AB enla Fig.4-10 por la
rotación. Para algún valor de la velocidad de giro el aumento de la presión tiende a comprimir el elemento de
líquido, haciendo disminuir la presión en zl. Como los líquidos son prácticamente incompresibles, la rotación
ni hará aumentar ni disminuir la presión en ,4. Entre A y B La presión aumentará proporcionalmente al cuadrado de la distancia al eje YY.
Para calcular la presión en .B:
(r)
y,:ry
: 3,47 m
t)1
5P
x 1.52:86.8 m
rz:T
ps : 0,822(r000x86,8 - 3,47)1104 : 6,85 kslcm2
x
0,32
(21
cAP. 4l
TRASLACION
Y ROTACION DE MASAS LIQUIDAS
49
Problemas propuestos
14.
Un recipiente parcialmente lleno de agua está sometido horizontalmente a una aceleración constante. La inclinación de la superficie libre es de 30'. ¿A qué aceleración está sometido el recipiente? Sol. 5,66 m/seg2
t5.
Un depoeito abierto de sección cuadrada de 1,80 m de lado pesa 350 kg y contiene 90 cm de agua. Está sometido a la acción de una luerza no equilibrada de 10ó0 kg, paralela a uno de los lados. ¿Cuál debe ser la altura
de las paredes del depósito para que no se derrame el agua? ¿Qué valor tiene la fuerza que actúa sobre la pared
dortde la profundidad es mayor?
So/. 1,192 m, 1280 kg
ló. Un depósito abierto d€ 9,00 m de longitud, 1,20 m de anchura y
1,20 m de profundidad está lleno con 1,00 m
0,822. Se acelera en la dirección de su longitud uniformemente desde el reposo hasta una velocidad de 14 m/seg. ¿Cuál es el intervalo de tiempo mínimo para acelerar el depósito hasta dicha velocidad sin
de aceite de
:
Dr
que se derrame el
líquido?
So1. 32,1
seg
1,50 m de anchura,3,00 m de longitud y 1,80 m de profundidad, que contiene 1,20 m de agua, se acelera horizontalmente, paralelo a su longitud, a 4,90 mlseg2. ¿Qué volumen de agua
se derrama? So/. 0,675 m3
t7. Un depósito rectangular abierto de
18.
¿A qué aceleración debe someterse el depósito del problema anterior para que sea nula la profundidad en la arista anterior? Sol. 5,88 m/seg'?
19.
Un depósito abierto, que contiene agua, está sometido a una aceleración de 4,90 mlseg2 hacia abajo sobre un
plano inclinado
20.
21.
¿Cuál es el ángulo de inclinación de la superficie
libre?
Sol.
23"9'
Un recipiente que contiene aceite de densidad relativa 0,762 se mueve verticalmente hacia arriba con una aceleración de +2.45 mfseg2. ¿Qué presión existe a una profundidad de 180 cm?
Sol. 1715 kglm'1
Si en el Problema 2O Ia aceleración es de -2,45 mlseg2, ¿cuál es la presión a una profundidad de 180 cm?
So/.
))
l5'.
1029 kelm2
Una fuerza vertical no equilibrada y dirigida hacia arriba, de módulo 30 kg, acelera un volumen de 45 | de agua.
Si el agua ocupa una profundidad de 90 cm en un depósito cilíndrico, ¿cuál es la fuerza que actúa sobre
fondo del depósito? So/. 75 kg
23.
Un depósito abierto cilindrico de 120 cm de diámetro y 180 cm de profundidad
rar a 60 rpm. ¿Qué volumen de líquido se derrama y cu1ü es la profundidad en el
24.
se
el
llena de agua y se le hace gi-
eje?
Sol.
0,410 m3, 1,0't.4 m
¿A qué velocidad debe girar el depósito del Problgma 23 para que en el centro del fondo del depósito la profundidad del agua sea nula?
So/. 9,90 rad/seg
25. Un recipiente
cerrado, de 60 cm de diámetro, está totalmente lleno de agua. Si el recipiente está girando
la presión en la circunferencia de la parte superior del depósito?
a
1200 rpm, ¿qué incremento sufrirá
Sol. 7,25 kglcm2
26. Un recipiente abierto
de 46 cm de diámetro y lleno de agua está girando alrededor de su eje vertical a tal velocidad que la superficie del agua a 10 cm del eje forma un ángulo de 40'con la horizontal. Calcular la velocidad
de rotacién.
So/. 9,07 radlseg
t1
Un h¡bo en U con codos en ángulo recto liene 32 cm de anchura y contiene mercurio que asciende
24 cm e¡
cada rama cuando el tubo está en reposo. ¿A qué velocidad debe girar el tubo alrededor de un eje vertical, que
dista 8 cm de uno de los brazos, para que el tubo del brazo más próximo al eje quede sin mercurio?
Sa/.
28.
Un tubo de 2 m de longitud y 5 cm de diámetro tiene sus extremos cerrados y está lleno de agua a una presión
de 0,88 kglcm2. Situado en posición horizontal se le hace girar alrededor de un eje vertical que pasa por uno de
sus extremos a una velocidad de 3 rad/seg. ¿Cuál será la presión en el extremo más alejado del eje de giro?
Sol.
29.
15,65 radlseg
9412 kglm2
El impulsor de 1,50 m de diámetro de una bomba centrífuga de agua gira a 1500 rpm. Si el cuerpo de la bomba
está totalmente lleno de agua, ¿qué altura de presirSn se desarrolla por la rotación?
So/. 700 m
Capitulo
Análisis dimensional
y
5
semejanza hidráulica
INTRODUCCION
Lateoria matemática y los resultados experimentales han desarrollado soluciones prácticas de muchos problemas hidráulicos. En la actualidad numerosas estructuras hidráulicas se proyectan y construyen solo después de haber efectuado un amplio estudio sobre modelos. La aplicación del análisis
dimensional y de la semejanza hidráulica permite al ingeniero organizar y simplificar las experiencias,
así como el análisis de los resultados obtenidos.
ANALISIS DIMENSIONAL
El análisis dimensional trata de las relaciones matemáticas de las dimensiones de las magnitudes
físicas y constituye otra herramienta muy útil de la moderna mecánica de los fluidos. En toda ecuación
que exprese una relación fisica entre magnitudes debe verificarse la igualdad al sustituir las magnitudés
por sus valores numéricos y también por sus dimensiones. En general, todas las relaciones fisicas pueden
reducirse a una relación entre las magnitudes fundamentales, fuerza d longitud Z y tiempo I (o bien
la masa M, longitud Z y tiempo I). Entre las aplicaciones se incluyen (1)conversión de un sistema de
unidades en otro, (2) desarrollo de ecuaciones, (3) reducción del número de variables requeridas en un
programa experimental V (a) establecimiento de los principios para el diseño de modelos.
El teorema de Pi de Buckinsham se establecerá e ilustrará en los Problemas 13 a 17.
MODELOS HIDRAULICOS
Los modelos hidráulicos, en general, pueden ser o bien modelos verdaderos o modelos distorsionados. Los modelos verdaderos tienen todas las características significativas del prototipo reproducidas a escala (semejanza geométrica) y satisfacen todas las restricciones de diseño (semejanza cinemática y dinámica). El estudio comparativo entre modelo y prototipo ha mostrado con evidencia que la
correspondencia de comportamiento es frecuentemente buena, fuera de las limitaciones esperadas,
como lo atestigua el correcto funcionamiento de muchas estructuras diseñadas a partir de ensayos sobre
modelos.
SEMEJANZA GEOMETRICA
Entre el modelo y el prototipo existe semejanza geométrica cuando las relaciones entre todas las dimensiones correspondientes u homólogas en modelo y prototipo son iguales. Tales relaciones pueden
escribirse
Z-od"lo
¿prototipo
lmod"lo
_f
'
" rel,
L2mo¿rlo
-¡2
lprototipo -- Lp¡ototipo
50
tü: t,
¡z
L¡el.
-- LtIz
(1)
(2)
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
cAP. 5l
51
SEMEJANZA CINEMATICA
Entre modelo y prototipo existe semejanza cinemática si (1) las trayectorias de las partículas móviles
homólogas son geométricamente semejantes y (2) las relaciones entre las velocidades de las partículas
homólogas son iguales. A continuación se dan las siguientes relaci¡ones útiles:
Velocidad:
Aceleración:
Caudal:
V,,,
lt,,,f
7',n
L,u
v,)
L'/T'
L,
ü,n
Lrrr/Ti,
Ir,,,
ap
I'o/T;:
Lp
Q,N
LL/T,,,
LI,,
Qo
f:,:tp/ T ),
L"
Tu,:
TI'
L,
T'
T], :
T'zD
L,
T'u :
TD
(3)
&)
T7
LX
(c)
T"
SEMEJANZA DINAMICA
Entre dos sistemas semejantes geométrica y cinemáticamente existe semejanza dinámica si las relaciones entre las fuerzas homólogas en modelo y prototipo son las mismas.
Las condiciones requeridas para la semejanza completa se obtienen a partir del segundo principio
del movimiento de Newton, 2F, : M a*. Las fuerzas que actúan pueden ser cualquiera de las siguientes, o una combinación de las mismas: fuerzas viscosas, fuerzas debidas a la presión, fuerzas gravitatorias, fuerzas debidas a la tensión superficial y fuerzas elásticas. Entre modelo y prototipo se desarrolla la siguiente relación de fuerZas:
X fuerzas (viscosas -r' de presión -+-+ gravitatorias
X fuerzas (viscosas -r- de-presión -r+ gravitatorias
-r-+
.++
tensión superf.
LA RELACION ENTRE LAS FUERZAS DE INERCIA
F,
:
ff#*'",.".*":
-r-+
se desarrolla en
ur:,:li"!¡r:
ffi::
elásticas)
_ M^ e^
^
tensión superf. -rr elásticas)o Mo
la sisuiente
ao
forma:
o,Ll(l',),
F, = p,LiV',, - p,A"V?
(d)
Esta ecuación expresa la ley general de la semejanza dinámica entre modelo y prototipo y
con el nombre de ecuación newtonrana.
se
la conoce
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA ,A LAS DE PRESION fuúmero de Euler). Yiene
dada por (utilizando T : LIV)
Ma
pL:\ x L/72
pA
pL'
P
L,t
(v2lLr)
'p
PL"V"
pL'
L2
pvt
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS VISCOSAS (número de Reynolds).
tiene a partir de
Ma
,A
Ma
,d v.
p(-)A
'du'
p
L',V"
,,(r)
L"
pvL
tl
(7)
1)
Se ob-
(8)
Y SEMEJANZA HIDRAULICA
ANALISIS DIMENSIONAL
52
[cAP.
5
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS GRAVITATORIAS. Se obtiene de
Ma
hIs
:
PL"V' :
pLtg
v
t-,
vLg
La raiz cuadrada de esta relación,
v2
Ls
(e)
se llama número de Froude.
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LAS ELASTICAS (número de Cauchy). Se obtiene a partir de
Mu
EA
p
L',V',
EL2
:
PT'-
E
(10)
llama número de Mach.
La raiz cuadrada de esta relación.
RELACION DE LAS FUERZAS DE INERCIA A LA DE LA TEI\SION SUPERFICIItL (número de Weber). Se obtiene de
Ma
pL'V'
oL
oL
p
LV'
(1
1)
En general, el ingeniero estudia únicamente los efectos de la fuerza predominante. En la mayoría
de los problemas de flujos fluidos son fuerzas predominurtes las de la gravedad, vi*osidad y/o elasticidad, pero no necesariamente de forma simultánea. En este libro se tratarán únicamente los casos en
que una sola fuerza predominante influye sobre la configuración del flujo, mientras que el resto de las
fuerzas producen efectos despreciables o que se compensan. Si son varias las fuerzas que simultáneamente influyen en las condiciones del flujo, el problema se complica en exceso, quedando fuera del propósito de este texto. Los Problemas 2l y 34 sugbren posibilidades.
O
RELACION DE TIEMPOS
Las relaciones de tiempos establecidas para configuraciones del flujo gobernadas esencialmente
por la viscosidad, o por la gravedad, o por la tensión superficial, o bien por la elasticidad, son, respectivamente,
T
L?
(véase Problema 20)
(12)
(véase Problema 18)
(1s)
V,
T
T',
\a:
(1)+)
¡f
(1
5)
cAP. 5l
ANALISIS DIMENSIONAL
Y SEMEJANZA HIDRAULICA
53
Problemas resueltos
1.
Expresar cada una de las siguientes magnitudes (c) en función de la fuerza
tiempo T y (b) en función de la masa M,la \ongitud Z y el tiempo ?-
fl
la longitud Z y del
Solución:
Magnitud
Símbolo
(o) Area A en m2
(b\ Volumen u en m3
(c) Velocidad V en mfseg
(d) Aceleración a o g en mfseg2
(") Velocidad angular co en rad/seg
(f) Fuerza F en kg
k) Masa M en kg seg2/m
(h) Peso específico ru en kg/m3
(4 Densidad p en kg seg2 fma
(/) Presión p en kglm2
(k) Viscosidad absoluta ¡.r en kg seg/m2
(l) Viscosidad cinemática v en m2/seg
(m) Módulo de elasticidad E en kglm2
(n) Potencia P en kgm/seg
(o) Par I en mkg
(p\ Caudal p en m3/seg
(q) Tensión cortante r en kgfm2
(r) Tensión superficial o en kgfm
(s) Peso IZ en kg
A) Caudal en peso W en kglseg
2.
A
(a)
(b)
F-L-T
M-L-7:
L2
L2
u
L1
L3
V.
L T-I
L T_2
T-r
F
L T_I
L T_2
M LT_2
F T.
M
a,g
a
F
M
T-L
!,-t
w
F L_3
o
F T2 L-4
p
F L_2
p
v
FTL_2
L2 T*r
E
F L_2
P
T
FLT_I
FL
a
L3 T_I
M
M
M
M
L-2 T-2
L_3
L-1
T_2
L_I T_I
L2 T-1
M L-1 T_2
M L2 T_3
M L2 T"2
L3 T_I
M L-1 T_2
f
F L_2
o
F
W
F
MLT_2
,V
F T_I
M LT_3
L_I
M
T_2
Desarrollar una expresión que dé la distancia recorrida en el tiempo T por un cuerpo que cae libremente, suponiendo que la distancia depende del peso del cuerpo, de la aceleración de la gravedad
y'del tiempo.
Solución:
: f(W, g, f)
s: KW g" 7-
Distancia s
donde K es un coeficiente adimensional que se determina por 1o general experimentalmente.
Esta ecuación ha de ser dimensionalmente homogénea. Los exponentes de cada una de las magnitudes deben
ser iguales en los dos miembros de la ecuación. Se puede escribir
Fa LL Tn
:
(1") (Lu T-to) (7")
Igualando los exponentes de F, L y T, respectivamente, se obtiene 0
b
: I yc:
2. Sustituyendo,
s:KWsT2
o
s
:
a,
|:
by
0
: -2b *
c, de donde
a
:
0,
: KgT"
Obsérvese que el exponente del peso W es cero, lo que significa que la distancia recorrida es independiente
del peso. El coeficiente K se determina por análisis fisico y/o por experimentación.
3.
Y SEMEJANZA HIDRAULICA
ANALISIS DIMENSIONAL
54
[cAP.
5
El número de Reynolds es una función de la densidad, la viscosidad y la velocidad del fluido, así como
de una longitud característica. Establecer la expresión del número de Reynolds mediante el análisis dimensional.
Solución:
Rt = f (p, p,V, L)
Rx = Kp"pbv'Ld
=
De aquí, dimensionalmente, Fo Lo To
(F"
T2"
L-A")(Fb 7a a-zo)(Lc T-")(L")
L y I,
Igualando, respectivamente, los exponentes de F,
0 = a*b,
de la cual
a: -b,
c
se obtiene
0 = 2a*b-c
0 = -4a-2b*c*d',
: -b, d: -b.
Sustituyendo,
R" = K
p-o po
V-b
L-b = X(Y JO;a
LosvaloresdeKyátienenquedeterminarseporanálisisfísicoy/oporexperimentación.Aquí,K:
4.
lyb:
-1.
Para el caso de un líquido ideal, expresar el caudal Q através de un orificio en función de la den-
sidad del líquido, el diámetro del orificio
y la
diferencia de presiones.
Solución:
Q = f b,p,dl
Q = Kp"pod"
o
De aqui,
dimensionalmente,
y
de donde
a: -tr, b :
L,
,:
T-t = (F" T21 L-Aa)(Fb
"-zu¡(L")
3=-4a-2b*c,
0:a*b,
-l='2a
¡;to
Ls
2. Sustituyendo,
Q = K P-t/2
(ideal)Q
Pt/2 d2
: Kcl"t/ph
obtenerse mediante el análisis fisico y/o por experimentación.
Para un orificio en la pared lateral de un depósito y bajo una altura de carga h, p : w h. Para obtener la
conocida fórmula del caudal desaguado por un orificio, que se dará en el Capítulo 9, se pone K : J, (nl4). Por
tanto,
El coeficiente K ha de
= tE G/+\ a' t/*t
(ideal) Q = +n d'{2s h
(ideal)8
Pero g =
5.
n'lp;
de donde
/p
Determinar la presión dinámica ejercida sobre un cuerpo totalmente sumergido en la corriente
de un fluido incompresible al suponer que la presión es función de la densidad y de la velocidad.
Solución:
P = f (P'V\
P = KP"Vb
o
Ft L-2 To
De aquí, dimensionalmente,
yl:a,-2:-4a*b,
0
:2a -
=
b, de donde a
(F" T2" L-Ao)(Lb T-b)
: l,
P = KPV"
b
:2.
Sustituyendo,
ANALISIS DIMENSIONAL
cAP. 5l
G.
Y SEMEJANZA HIDRAULICA
Suponiendo que la potencia comunicada a una bomba es función del peso específico del fluido,
dei caudal .n -t7r.g y de la altura comunicada a la corriente, establecer una ecuación por análisis
dimensional.
Solución:
o
De aquí,
dimensionalmente,
y l: a, l:
-3a +
3b
+ c, -!:
P = -f (w,Q,H)
P - Kw"QbH.
t
F Lt T-1 - (.F" L-*)(L"u
-b,
de donde a --
T-o)(L")
l, b:1, c: l.
Sustituyendo,
P = KwQH
7.
Se dispara un proyectil con un ángulo 0 y una velocidad inicial V.Encontrar el alcance R en el plano
horizontal, suponiéndolo función de V, 0 y de g.
Solución:
R = f (V,s,e) -
Dimensionalmente,
lt -
(A)
Kv(sboc
(B)
(ff T-n)(Lb T-2b\
Como 0 es adimensional, no aparece en la ecuación
(.8).
Despejando ay b, a:2y b: -1. Sustituyendo, R : KV2lg. Evidentemente, esta ecuación es incorrecta
ya que carece de la variable 0. En el Problema 8 se muestra cómo obtener una solución correcta.
8.
Resolver el Problema
7 mediante una descomposición vectorial.
Solución:
En los casos de movimientos bidimensionales pueden introducirse las componentes según X
tener una solución más completa. Así, la ecuación (l) del Problema 7 puede escribirse
o Y para ob-
R. = KY"V,cieo
t l = @! T-")(Li, T-b)(Lc T-'c\
Dimensionalmente.
L.:l=a
T: 0 = -a-b-2c
Lo: 0 = bÍc
De aquí, a: l, b: t y c: -1. Sustituyendo
(c)
que da
A partir
del diagrama vectorial,
en (C),
R = K¡Y:lt¡
\g,l
:
:
cos 0
V*f V, sen 0
VrlV I cos 0 sen 0 :
(D)
V,VylV2 . Sustituyendo en (D),
_ yYtt"2l
R = KY'?cosdsend
s2s@)
Por mecánica. R toma la forma
9.
v2
sen 20 .
I
de donde K
: 2 en la ecuación
(E).
la fuerza de arrastre ejercida sobre un cuerpo sumergido en una corriente fluida
la densidad, la viscosidad y la velocidad del fluido, y de una longitud característica
del cuerpo, desarrollar la ecuación general.
Suponiendo que
es función de
Solución:
o
aquí,
y 1: a}-b,0:
De
F = f (p, p, L,V\
¡l - Kp"pbLcvd
ptt Lo To : (F" 72" L-4o\(Fb
-4a-2b+cld,0:2aIb-d.
Tb L-rb)(Lc)(Ld
T-d)
ANALISIS DIMENSIONAL
Y SEMEJANZA HIDRAULICA
[cAP.
s
Se observa que hay más exponentes desconocidos que ecuaciones. (Jn procedimiento de resolución consiste en expresar tres de las incógnitas en función de la cuarta. Resolviendo en función de ó, se obtiene
a=l-b,
d,:2-b,
F = K
Sustituyendo,
p1-b pb
c=2-b
Lz-b Vz-b
Con el fin de expresar esta ecuación en la forma comúnmente usada,
minos, obteniendo:
F=
Como se
," '
t
p
'
es el número de Reynolds
2K e(Y la)-b
y Z2
representa
p = l2K n;,1, AT
f0.
se
multiplica por
212
y
se ordenan
tér-
uT
un área, y
se puede poner
P = CroAT
o
Desarrollar una expresión para la tensión cortante en una corriente fluida en una tubería suponiendo que la tensión es función del diámetro y de la rugosidad de la tubería, y de la densidad, la
viscosidad y la velocidad del fluido.
Solución:
r = f (V,d,p,r,K)
r = CvadbpcpdKe
La rugosidad K se expresa normalmente como la relación entre la altura de las protuberancias superficiales
de la tubería y su diámetro, eld, q:ue es un número adimensional.
Itt L-2 To =
tanto,
v l: c+ d. -2: a* b-4c-2d+
Por
(L" T-")(Lb¡1F" T'" L-4c)(Fd Td L-'zd)(L"/Le)
-e.0: -a*2c * d. Resolviendo en función
c=7-d,
a=2-d,
Jj=-d
e
r = c v2-d d-d pr-d pd Ke
vn^
Sustituyendo,
¡ = cl':i')-'K"v'p
\lr
Reuniendo términos,
, =
o
11.
de d, se obtiene
(C, R;o) V"
p
Desarrollar una expresión que dé la pérdida de carga en una tubería horizontal, para un flujo turbulento incompresible.
Solución:
Para un fluido cualquiera la pérdida de carga viene dada por la caída de presión y es una medida de la resistencia presentada al flujo a través de la tubería. La resistencia es una función del diámetro de la tubería, la
viscosidad y la densidad del fluido, la longitud de la tubería, la velocidad del fluido y la rugosidad K de la tubería. Se puede escribir
(pt
(p,
- pr)
- p,)
f
(d, p, p,
C d"
po
L,v, K)
p' Ld
V" (,/cl)l
I
A partir de datos experimentales se ve que el exponente de la longitud es la unidad. El valor de K se expresa usualmente como la relación entre el tamaño de las protuberancias superficiales e y el diámetro d de la tubería, resultando adimensional. Se puede escribir, por tanto,
¡ttl
L-2 To :
(L")(Fb Tb L-zb)(Fc T,c L-ac)(Lt)(L" T-")(Lt/Lt)
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
cAP. sl
57
yl:b+c,-2:a-2b-4c*l-let-f-f0:b+2c-e,apartirdelascualessepuedendeterminar los valores de a, b y c en función de e o bien
c = e-!,
a = e-B
b = 2-e,
Sustituyendo en (1),
(Pr- Pr) :
C de-tt p2-e pe-t
Dividiendo el primer miembro de la ecuación por
¿r;
pérdida de carga
=
=
ry
LrV" (€/d)l
y el segundo por
c
(e/d)r L 1¿'-zvP pc-t pz-e)
que puede transformarse en (al introductr 2 en el numerador
pérdida de carga
y en el denominador)
: ,, (;),1'-l*+"a1
=
12.
su equivalente pg,
"'<*-"
\*)(#) = ,i#
(rórmura de Darcy)
Establecer una expresión para la potencia de entrada en una hélice al suponer que la potencia
puede expresarse en función de la densidad del aire, el diámetro, la velocidad de la corriente de
aire, la velocidad de rotación, el coeficiente de viscosidad y la velocidad del sonido.
Solución:
Potencia
=
K
oo db
V" ad L" ct
y, utilizando como unidades fundamentales la masa, la longitud y el tiempo,
M
L'T-a =
(M" L-s")(Lb)(L. T-")(T-a¡1M"
a = l- e
dedonde b = 5-2e-c-f
d, = 3-c-e-Í
| = a*e
2: -Ba*b*c-e+f
-B = -c-d-e-f
De aquí,
Sustituyendo,
Ordenando
Potencia = K pt-" ¿f,s-ze-c-t
y reuniendo términos con los mismos
potencia
L-" T-")(Lt T-t)
Vc
o3-c-e-l
pe
ct
exponentes, se obtiene
r
^)2..
= KI(T),
L'
,:t
)
-'l
(-v) "(, )-'|".d'o
Al observar los términos entre paréntesis se ve c¡ue todos son adimensionales. El primer factor puede escribirse como un número de Reynolds, ya que velocidad lineal : radio x velocidad angular. El segundo factor
es una relación adimensional característica de la hélice y el tercer factor, cociente de la velocidad a la celeridad
del sonido, es el número de Mach. Combinando todos estos términos se llega a la ecuación
Potencia
13.
=
C' o os
d."
Resumir el procedimiento a seguir para aplicar el Teorema de Pi de Buckingham.
Introducción:
Cuando el número de variables o magnitudes fisicas son cuatro o más, el Teorema de Pi de Buckingham
constituye una excelente herramienta, mediante la cual pueden agruparse estas magnitudes en un número menor
de grupos adimensionales significativos, a partir de los cuales puede establecerse una ecuación. Los grupos adimensionales se llaman grupos o números Pi. Si en el fenómeno fisico en cuestión intervienen n magnitudes fisicas 4 de las cuales k son dimensiones fundamentales ('por ejemplo, fuerza, longitud y tiempo, o bien masa, longitud y tiempo) y otras 4 (tales como velocidad, densidad, viscosidad, presión y área), entonces matemáticamente
58
ANALISIS DIMENSIoNAL Y SEMEJANZA HIDRAULIcA
Y
[cAP.
s
esta ecuación puede remplazarse por Ia relación
$(t11 ;2tÍrr...,
o.-r)
:
0
donde cualquier número z no depende más que de (k + l) magnitudes fisicas 4 y cada uno de los números n
son funciones monómicas independientes, adimensionalmente, de las magnitudes 4.
Procedimiento:
l. Se escriben las n magnitudes fisicas q, que intervienen en un problema en particular, anotando sus dimensiones y el número k de dimensiones fundamentales. Existirán (n
- &) números z.
2. Seleccionar k de estas magnitudes, sin que haya ninguna sin dimensiones,
ni dos que tengan las mismas dimensiones' Todas las dimensiones fundamentales deben incluirse colectivamente en las maenitudes seleccionadas.
3. El primer grupo 7r puede expresarse como el producto de las magnitudes escogidas, elevada cada una a un
exponente desconocido, y una de las otras magnitudes elevada a una potencia conocida (normalmente se
toma igual a uno).
Mantener las magnitudes escogidas en (2) como variables repetidas y escoger una de las restantes variables
para establecer el nuevo número n. Repetir el procedimiento para obtener los sucesivos números z.
En cada uno de los grupos n determinailos expánentes desconócidos mediante el análisis dimensional.
4,
5.
Relaciones útiles:
(a) Si una magnitud es adimensional constituye un grupo n sin necesidad de aplicar el procedimiento anterior.
(b) Si dos magnitudes fisicas cualesquiera tienen las mismas dimensiones su cociente será un número adimensional n. Por ejemplo, LIL es adimensional y, por tanto, un número z.
(c) Cualquier número z puede ser sustituido por una potencia del mismo, incluida ¡ - t. por ejemplo, z. puede
remplazarse por nl, o n, por lfnr.
Cualquier número z puede sustituirse por su producto po¡ una constante numérica. Por ejemplo, 1r1 puede remplazarse por 3zr.
Cualquier número z puede expresarse como función de otros números n. Por ejemplo, si hay dos números
(d)
(e)
n.
14.
t, :
Q(n2\.
Resolver el Problema
2 mediante el Teorema de Pi de Buckinsham.
Solución:
El problema puede resolverse estableciendo que cierta lunción de la distancia s, el peso Il', Ia aceleractón
de la gravedad g
y el tiempo I
es igual a cero,
o bien
matemáticamente
f'(s,W,g,T) =
Paso
0
I
Se enumeran las magnitudes
s:
longitud
y
sus unidades.
Z, W:
Existen 4 magnitudes fisicas, 3 de ellas
F, g:
LlT2, Z: tiempo ?.
fundamentales, de donde (4 - 3): un número n.
fuerza
aceleración
Paso 2
Escogidas s, W
y Z como magnitudes fisicas proporcionan las tres dimensiones
fundamentales F,
Ly
T.
Paso 3
Como las magnitudes fisicas de dimensiones distintas no pueden sumarse
presa en forma de producto, como sigue:
z, = (s'r) (W!t) (T,t)
ni
restarse, el número 7¡ se ex-
(r)
(g\
Aplicando la homogeneidad dimensional
Fo Lo
To
-
(L',) (Ptr) (T't) (LT-'z)
Igualando los exponentes de .F, r y T, respectivamente, se obtiene 0
0, z, :2. Sustituyendo en (1),
xt : -1, yt :
Tr = s-|Wo
Despejando s
y poniendo llnr:
T2
g :
y, se obtiene s: KgT2
WO
: I t, 0 : xr * l, 0 : z t -
T'g
2, de donde
CAP.
5]
15.
Resolver el Problema
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
59
6 aplicando el Teorema de Pi de Buckingham.
Solución:
El problema
se establece matemáticamente así
f(P,
w, Q,
H\
:
0
Las magnitudes fisicas con sus dimensiones en el sistema F,
Potencia
Pesoespecífico
.
P: FLT-l
w:FL-3
Zy
I
Caudaf
Carga
son
Q:
L3
H: L
T-'
Existen 4 magnitudes fisicas y de ellas 3 fundamentales, de donde (4 - 3) : 1 grupo ¡.
H como magnitudes con exponentes desconocidos, el grupo z se establece como sigue:
Escogidas Q, w y
r, =
||\
(Q"r) (utut) (H,t) P
r, : (Ll,r ?--'¡ 1Fv' L-3!t) (L.') (F L T-,)
Igualando los exponentes de f', I y Z, respectivamente, se obtiene 0: -vr * 1,0: 3xr - 3yt I
0: -r1 - 1, de donde rr : -I, yt: -t, zr: -1. Sustituyendo en (1),
Í\
16.
=
Q-1
t
7,
P = KwQH
w-t H-t P =
trQH
Resolver el Problema 9. aolicando el Teorema de
z1
Pi de tsuckineham.
Solución:
El problema puede
establecerse así
Las magnitudes lísicas
y
ó@,p,¡t,L,V):0
L y T son
sus dimensiones en el sistema F,
Longitud ¿ : ¿
Velocidad V: LT-l
Fuerza F : F
Densidad P:FT2L-a
Viscosidad absoluta tt: FTL 2
Existen 5 magnitudes físicas, de ellas 3 fundamentales, de donde (5 - 3) : 2 números z.
Escogidas la longitud I, la velocidad V y la densidad p como 3 variables repetidas con exponentes desconocidos, se establecen los números 7¡ como slgue:
Tt = (L"t) (Lb, T-b') (F"t
IgualandolosexponentesdeF,
* 2cr, de donde c, : -1, bt
T2"t
L-a"t)
(r)
(,F)
IyT,respectivamente,seobtiene0:crf1,0:atlbr-4cr,0:-b,
: -2, ar: -2. Sustituyendo en (1), n1 : FlL2 V2 p.
Para calcular el segundo número n se mantienen las tres primeras magnitudes físicas y se añade otra magni-
tud, en este caso la viscosidad absoluta p. (Véase Problema 13, Apartado 4.)
r, =
(L"z) (Lbz T-bz) (Fcz T2"z L-a"t) (F T fu-z¡
\2)
IgualandolosexponentesdeF,l,yZ,respectivamente,seobtiene0:cz-l!,0:aztbr-4c2-2,0:
-b, + 2c, * 1, de donde c, : -1, bz: -1, az: -1. Por faÍto, n2 : plLV p. Esta expresión puede
ponerse en la forma n2: LV pl¡t, que es una forma del número de Reynolds.
La nueva ¡elación, escnta en función de los grupos .nL y r.2, es
¡'G]r¡,"#) =
Fuerza
que puede escribirse
o
F =
(L, V,
F :
(ZKRE)0",7
p) f
"(ry)
Sustituyendo L2 por un área, la ecuación puede establecerse finalmente en la forma F
CaDítulo 11.)
:
Co p A
vz
V'
(Yéase
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
60
17.
Resolver el Problema 11 mediante el reorema de
[cAP.
5
Pi de Buckineham
Solución:
Matemáticamente, el problema puede escribirse en la forma
| (tp,d,p,p,L,V,K) :
0
donde K es la rugosidad relativa o relación del tamaño de las irregularidades de la superficie e al diámetro d de
(Véase Capítulo 7.)
la tubería.
Las magnitudes fisicas con sus dimensiones en el sistema F,
' Caída de presión Lp
son
Longitud Z : Z
Velocidad V: LT-l
Rugosidad relativa K : LtlLz
: F L-t
: L
p: FT L-2
P:FT2L-4
Diámetro d
Viscosidad absoluta
Densidad
LyT
Existen 7 magnitudes fisicas, 3 de ellas dimensiones fundamentales, de donde (7
- 3): 4 números z. Escogidos el diámetro, la velocidad y la densidad como variables repetidas con exponentes desconocidos, los números n son
n, = (L't) (Lur l-u'¡ (F't 7z', L-l't) (F L-z¡
t, = (L'z) (Lv2 T-!2) (F,2 T2,2 L-a,z) (F T L-r)
r., = (L'z) (Lut T-tt¡ (F's 72," L-t,") (L)
na=K=Lt/L"
Calculando los exponentes término a término se llega
a
nti 0 = zt*1,0 = xt*Ut-42,-2,0 = -gr*22¡ luego tr=0, llt=-2,2t=-1,
;¿i 0 = zz*1, 0 = xz*!t-4zz-2, 0 = -Azl2zz+ 1; luego xz=-1, !!z=-!, zz=-L
;:i 0=zr, 0 = xs*As-4zt * 1, 0 = -ytl2zs; luego 13 =-7, At=0, z3=0,
De donde los números n
;r
=
rAz
= ¿i;
Ttt =
do
son
V-2
d-lVo
p-
t
Lp = At¡
pV'
(número de Euler)
dvp
o
(número de Reynolds)
lt
Po
(como podía esperarse;
Apartado á, Problema 13)
L
-;
L
véase
d
v4 = L,/L, = .;f
d
La nueva relación puede escribirse
(véase
Capitulo 7)
ahora
,,(#,,+,"r,
1) =
o
Despejando Ap,
Lp=
donde p
:
?'' ''('''
"a';)
w/g. De aquí, la caída de presión en pérdida de altura sería
:t¿ = Y,rl.f,(B,,L,L\
w
29 '-' '- \---' ,I ' ,t)
Si lo que se desea es obtener una expresión del tipo de la de Darcy, la experiencia y el análisis indican que
la caída de presión es proporcional a la primera potencia de Lld; por tanto,
6l
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
cAP. 5l
#'"r'
^P=
1.t)
2
' r,(8",;)
que puede ponerse en la forma
= (coeficiente f)H(#)
^#
Nota
I
Si el flujo fuera compresible habría que incluir otra magnitud fisica, el módulo volumétrico de elasticidad E,
y el quinto grupo
7r
conduciría a la relación adimensional
' pr,. se escribe normalmente en la forma +,
-E
p V'
J4p
que es el número de Mach.
Nota
2
Si la gravedad influye en el problema general del flujo habría que incluir la fuerza de la gravedad como nue-
va magnitud fisica, y el sexto número n conduciría a la relación adimensional
\'U"r"grupo
pL
se
llama número
de Froude.
Nota 3
Si en el problema general interviniera también la tensión superficial o habría que tenerla en cuenta como
nueva magnitud física, lo que conduciría a un séptimo grupo 7r adimensional. El número n tomaria la forma
v"Lp
que es el número de Weber.
Cuando únicamente influyen la gravedad y la inercia, demostrar que, para modelo y prototipo,
la relación de caudales Q es igual a la relación de longitudes elevada a cinco medios.
Solución:
a^
r,i"/r^
Qo
L"r/
To
jL1
T"
Hay que establecer la relación de tiempos para las condiciones que influyen en el flujo. Las expresiones para
la gravedad y las fuerzas de inercia pueden escribirse como
Gravedad:
sigue
E = # = ?;"r¡ =
lnercla: F^ =
Fp
M^ a^
M, a,
to,Ll
p-.Ll".L,.
=;'Í¡"n
-
p,L1
x_
Igualando las relaciones de fuerzas,
1D,
L"" =
p"
Lt. x
de la que, despejando la relación de tiempos, se llega
T?
= L.'P'
'w.5,
L,
¡¡
m2
a
f
-
(f)
Como g. es igual a la unidad, la sustitución en la relación de caudales conduce a la expresión buscada
.
Q.=* =#:L""'',
(2)
Para las condiciones establecidas en el problema precedente obtener (a) la relación de velociday (ó) la relación de presiones y la relación de fuerzas.
des
Solución:
(:a) Al diüdir los dos miembros de la ecuación (/) del problema anterior por L!, se obtiene
ANALISN DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
62
r:
L,
ü = L",s"
V?
(b)
ocomo ,,_L
' = T'
[cAP.
5
v; = l"g"
a,2
Pero el valor de gr puede considerarse igual a la unidad. Esto significa que, para modelo y prototipo,
que puede llamarse la ley de modelos de Froude para la relación de velocidades.
: L,,
Relación de fuerzas para fuerzas de presión =
inercia =
Relación de fuerzas para fuerzas de
=
P, L,,
p,. Ln,
w, L'",
t;
p.L1
=
p" =
Igualando éstas, se obtiene
p"L?.
w,L1
(r)
w,L,
Para los estudios sobre modelos en flujos con superficie libre, los números de Froude en modelo y pro-
totipo han de ser iguales. También han de ser iguales los números de Euler en modelo y prototipo.
Utilizando V? : t,, la ecuación (1) puede ponerse en la forma
P" = wrV?
y,comofuerza F = pA,
20.
F,=F"L?=w,L",
(2)
Desarrollar la ley de modelos de Reynolds para las relaciones de tiempos y de velocidades de líquidos incompresibles.
Solución:
Para configuraciones de flujos solo dependientes de las fuerzas de inercia y viscosas (siendo el resto de influencias despreciables) es necesario calcular estas fuerzas p¿ra modelo y prototipo.
rr
Inercia:
-=-
Viscosidad:
r'
= p"Ll x
L"
1'2
.A
-rrA,
*^LT/T^
;,LrT
(del problema precedente)
t',(dV /dY),4,
p
lo(Lo/Te
x
tlLp)
L3
P, L,,
1.
Igualando las dos relaciones de fuerzas, se obtiene
LOmO y = :,
p
p^(L^/T^ x l/L^) L;
p^(dV /dy)^ A^
se puede poner
lr
=
,""; = +
de la cual
o- L't,
-
-
vf
(o\
L,
Escribiendo estas relaciones en función del modelo
v^
,y
Vp
rp
x
'
(t)
vf
Relación de velocidades
-
y prototipo a partir de (2),
se obtiene
L_l
L^
Reuniendo términos para modelo y prototipo se llega a V^Llv^: VoLJt* igualdad que el lector puede identiflcar como: Número de Reynolds para el modelo: número de Reynolds para el prototipo.
63
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
cAP. 5l
aceite de viscosidad cinemática 4,70 x 10-s m2/seg vaautilizarse en un prototipo en el que
son fuerzas predominantes las debidas a la viscosidad y a la gravedad. También se desea experimentar sobre un modelo a escala de 1 : 5. ¿Qué valor debe tener la viscosidad del líquido del modelo para que tanto el número de Froude como el de Reynolds sean iguales en modelo y prototipo?
21. Un
Solución:
Mediante las escalas de velocidades de las leyes de Froude y de Reynolds (véanse Problemas 19 y 20) se establece la igualdad
(L'g')'t' : vJL'
Ya que
g,: l,
L?t2
Esto significa que
'
:
l! :
uo
v,
y v,:
0,0894
:
(ll5)3t2
0,0894.
: , -- n-.^-. )',
por tanto, v^:4,20 x
4.lO x l0-' ' '
10-6
mz/seg.
Mediante las escalas de tiempos, aceleraciones y caudales se llegaría a los mismos resultados. Por ejem-
plo, igualando la relación de tiempos (Problemas 18 y 20) se llega
p"Li
L:'
q; = ;
22.
o, como g, =
a
p,
1,
,, Ll'',
i = =
como antes
de una tubería de 20 cm de diámetro está fluyendo aguaa 15' C a una velocidad de 4,0 m/seg'
qué
debe fluir un fuel-oil medio a a 32 C por el interior de una tubería de 10 cm de
velocidad
¿A
diámetro para que los dos flujos sean dinámicamente semejantes?
A través
Solución:
Como los flujos en ambas tuberías están sujetos únicamente a las fuerzas debidas a la viscosidad y a la inercia, el criterio de semejanza será la igualdad de los números de Reynolds. Otras propiedades del fluido que circula, tales como la elasticidad, la tensión superficial y lLas fuerzas gravitatorias, no afectarán a la configuración
del flujo. Por tanto, para la semejanza dinámica,
Número de Reynolds para el agua : número de Reynolds para el aceite
V
-
cl
vv
=
V'd'
I
Sustituvendo los valores obtenidos de las viscosidades en la Tabla 2 del Apéndice,
4,0
1,13
y
V'
:21,0
x
0,2
x 10-6
V' x
2,97
x
0,1
10-6
m/seg para el aceite.
23. A través de'una tubería de 60 cm de diámetro está circulando aire a20" C a una velocidad media
de2,0 m/seg. ¿Cuál debe ser el diámetro de la tubería que al transportar agua a 15'C y a una velocidad de I,22 m/seg dé lugar a un flujo dinámicamente semejante?
Solución:
Igualando los dos números de Reynolds:
#:*
:
d:0,075 m:7,5
#:ñ*'
cm
24. Un modelo de submarino a escala I : 15 va a ser ensayado en un canal hidrodinámico de agua
salada. Si el submarino se mueve a una velocidad de 12,0 mph (millas por hora), ¿a qué velocidad
deberá ser arrastrado el modelo para que existil semejanza dinámica?
Solución:
Igualando los números de Reynolds para modelo y prototipo:
l2'0 x L
vv
-v
x
Llrí' z:
180 mph.
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
64
[cAP.
5
25. Un modelo
de avión a escala I : 80 es ensayado en una corriente de aire a20" C y a una velocidad
de 45 m/seg. (a) ¿A qué velocidad habrá de arrastrarse el modelo si está totalmente sumergido
en agua a 27" C? (á) ¿Qué arrastre sobre el prototipo en el aire corresponderá a una resistencia
sobre el modelo en el agua de 0,55 kg?
Solución:
(a)
Igualando los números de Reynolds,
.! r :
x lo-s
,o! "
,
l,4g
(b) Como p varía proporcionalmente a p V2, igualando
p^vi"
p,,v,",
p,"
Pero las fuerzas que actúan son (presión
.F_
x
p^L'^
o v:
2'60 m/seg en el agua'
los números de Euler, se obtiene
P,"
PP
o
pp
t
10{
^!,' x.
0,gó4
p,,,V'^
PrVS
área), es decir, p L2; de aqui
p^Vil,,^
F;- e;4 = %41
F, = p,V?r?
[ecuación (ó), páginaó1].
Para obtener la velocidad del prototipo en el aire se igualan los números de Reynolds, con lo que
se
obtiene
V^
L^
V, Lo
u-t
45
Vai¡e
Vaire
0,55
Por tanto.
Fo
x L"180
Vaire
Vo
Lo
Vp:
Vaire
t02 .2,60 ". t "
'80',
0.123', 0.563',
Y Fr:
0,563 mlseg
0'200 kg
-:|-ll-1.|-1.
26. Un modelo
de torpedo es ensayado en un canal hidrodinámico a una velocidad de 24,0 m/seg. Se
espera que el prototipo se mueva a una velocidad de 6,0 m/seg en agua a 15'C. (a) ¿A qué escala se ha construido el modelo? (ó) ¿A qué velocidad se ensayará el modelo en un túnel aerodinámico si la presión es de 20 atmósferas y la temperatura constante de 27" C?
Solución:
(o)
Igualando los números de Reynolds para prototipo y modelo.
6'0
xL
24.0
v
x Llx
v
escala seométrica del modelo es 1:4.
(á) La viscosidad absoluta para el aire, de la Tabla 1(B), es 1,88 x 10-6 kg seg/m2 y la densidad p:u :
c
p
20 x 1,033 x lOa
: 2,410 UTM/m3 (o bien p : 20 veces el valor de la Tabla l(B) a 27" C :
c RT 9,8(2e,3)(273 + 27)
20
x
0.120
:2,40). Por tanto,
6,0xL
l.l3
VxLl4
,.1¡{ : 1,8il to-ftlo
V:
)
16,50 mlseg
27. Una bomba centrífuga,
girando a 1200 rpm, bombea un aceite lubricante medio a 15" C. Se va
a ensayar un modelo de la bomba que utiliza aire a 20' C. Si el diámetro del modelo es 3 veces
mayor que el del prototipo, ¿a qué velocidad debe girar el modelo?
Solución:
Utilizando como velocidades en los números de Reynolds las velocidades periféricas (que son iguales al
radio por la velocidad angular en radianes/seg), se obtiene
(d)
I7,5 x lO-s
(dl2)
a,
(3d12)
1,49
a^
x
(3d)
lo-s
De aquí, @p: l06a^ y velocidad de giro del modelo:12001106: 11,3 rpm.
Y SEMEJANZA HIDRAULICA
ANALISIS DIMENSIONAL
cAP. 5l
65
ala de avión de 90 cm de cuerda se ha de mover a 90 mph en el aire. En el túnel aerodinámico se va a ensayar un modelo de 7,50 cm de cuerda con una velocidad del aire de 108 mph. Para
una remperatura del aire en ambos casos de 20' C, ¿cuáldebe ser la presión en el túnel aerodinámico?
28, Un
Solución:
Igualando los núrneros de Reynolds, en modelo y prototipo, y utilizando las mismas unidades para las velocidades.
v^
L^
vm
v^
L^
108
x 0,075: . 90 x
0,90
r/9 x ro-'
Vtúnel
Vp
ltJner
: 1,49 x 10-6
m2/seg
La presión que da lugar a esta viscosidad cinemática a 20" C puede calcularse recordando que la viscosidad absoluta no se ve afectada por los cambios de presión. La viscosidad cinemática es igual a la viscosidad absoluta dividida por la densidad. Pero la densidad aumenta con la presión (a temperatura constante); por tanto.
v-:1'1?'19]:tu,u
,:Fp y'
rp
1,49
x
10-"
De aquí, la densidad del aire en el túnel debe ser diez veces mayor que la normal (20' C) del aire y, por
tanto, la presión del aire en el túnel habrá de ser de diez atmósferas.
cuyo casco tiene una longitud de 140 m ha de moverse a 7,50 m/seg. (a) Calcular el número de Froude Nr. (á) Para la semejanza dinámica, ¿a qué velocidad debe remolcarse en agua
un modelo construido a una escala 1 : 30?
29. Un barco
Solución:
N.: -L: -g:0.20-1
Jct /l.ax t+o
\a)
(ó)
Cuando las conflguraciones de los flujos, con contornos geométricamente semejantes, se ven influenciadas por las fuerzas de inercia y las gravitatorias, el número de Froude es el grupo adimensional significa-
tivo en los estudios sobre modelo. Por tanto,
Número de Froude del prototipo
vv'
tFsL
Como g
: g' en todos
VV'
tt
,¡'
:
número de Froude del modelo
,/ll'
los casos prácticos, puede escribirse
7,50
_
JMo
f./
V'
:
1,37 m/seg en el modelo
Jl4ol:o
30. A través de una acequia de 60 cm de anchura
se va a construir un modelo de aliviadero a escala
y
1 : 25. El prototipo tiene 12,5 m de altura se espera una altura de carga máxima de 1,50 m. (c) ¿Qué
altura y qué carga deben utilizarse en el modelo ? (ó) Si el caudal vertido sobre el modelo es de 20 l/seg
con una carga de 6,0 cm, ¿qué caudal por metro de prototipo puede esperarse? (c) Si en el modelo
aparece un resalto hidráulico de 2,50 cm, ¿qué altura tendrá el resalto en el prototipo? (d) Si la
energía disipada en el resalto hidráulico del modelo es de 0,15 CV, ¿cuál será la energía disipada
en el prototipo?
Solución:
(a)
Como
lonsitudes en modelo
longitudes en prototipo
altura
:
m
r
B x 12,50 0,50
25
de carga sobre el modelo : + , 1,50 : 0,06 m :6cm
altura del modelo
:
1
(b) Por predominar las fuerzas gravitatorias, del Problema 18, Q,:
L?tt, y de aquí
66
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
o,: #:
2o
x
10-3(25
Este caudal puede esperarse en 0,6 x 25
62,5115 : 4,17 m3lse1.
tro de prototipo -(c,
t, o
f;:
(d)
Relación de potencias
p.:
h,
r,
pero g.
J L,IS,
po:
p^(25)1/2
caudal por me-
cm (altura del resatto)
:rE+
(kgm/see),:F=L'
y
62,50
5
62,s0 m3/seg
: l5 m de longitud del prototipo. Por tanto,
: ?,:
#:
'i,: tr'' : tlr''
31.
x 25 x s) :
[cAP.
: I y u,: l.
:0,rs(2s)it2:
11.700
De aquí,
cv
El modelo de un recipiente se vacía en 4 minutos al abrir una compuerta de tajadera. El modelo
está construido a una escala 1 :225. ¿Cuánto tiempo tardará en vaciarse el prototipo?
Solución:
Como Ia fuerza debida a la gravedad
Además.
32.
es
la dominante, la relación de las Q, por el Problema 18, es igual a Llt2.
,
ao, tanto, Llt2:
O,:+:
''
-¡ L!
-' ," *T^'v r,:
Qo #Li $Te - -- ------'
TJL:tr:4(225)u2: ó0 minutos.
Un espigón rectangular en un río tiene 1,20 m de anchura por 3,60 m de longitud, siendo la profundidad media del agua de 2,70 m. Se construye un modelo a una escala de 1 : 16. Sobre el modelo se mantiene un flujo de una velocidad media de 0,75 m/segy lafuerza que actúa sobre el modelo es de 400 g. (a) ¿Cuáles son los valores de la velocidad y de la fuerza sobre el prototipo? (ó) Si
delante del modelo se forma una ola estacionaria de 5,0 cm de altura, ¿cuál será la altura esperada de la ola que se forme en la tajamar del espigón? (c) ¿Cuál es el valor del coeficiente de arras-
tre o resistencia?
Solución:
(a) Como
predominan
las fuerzas debidas a la gravedad, del Problema l9 se
V^
t-t'
ñ: - J
Además,
(á) como 3:+
ve JLo
(c)
Fuerza de arrastre
E--
,,
v' -: o'75
! r/
(r^rf1:
*,t, !
y
J4:J0,05r1q
'
0,75
: c,pA+,
Fo:
#ifu:
obtiene
3'o m/ses
1640 kc
h":0,g0mdealruradelaola.
0,40: cp(102)(#
r'¿,9!Y y co: r,r0.
Si se hubieran utilizado los valores del prototipo para estos cálculos, se habria obtenido lo sieuiente:
1640
33.
:
CDOO2)(1,2
x 2,T19ü
y Co:1,10,
como era de esperar
La resistencia medida en agua dulce, presentada a un modelo de barco de 2,50 m, moviéndose
a una velocidad de 2,0 mfseg, fue de 4,40kg. (a) ¿Cuál será la velocidad del prototipo de 40 m?
(á) ¿Cuál será la fuerza necesaria para mover a esta velocidad el barco en agna salada?
Solución:
(a)
Como predominan las fuerzas debidas a la gravedad, se obtiene
V
)^
#p : J t, : Ja¡na y V,: L_:
(I /t 6)'t'
v
8.0 m/ses
ANALISIS DIMENSIONAL
cAP. 5l
4,40
*,r, y F,: (1000/102sx1/16r
?:
(ó)
Y SEMEJANZA HIDRAULICA
:
6',1
18.470 kg
Este último valor puede encontrarse mediante la fórmula que da la resiStencia o fuerza de arrastre:
A
Resistencia:C¡p.V'.
4'40: Cr
Para el modelo.
Para el
prototipo,
fuerza:
c,A
A
.
Y -2s :
,*yrz'oY
1000
*
crffO,of
4,4(16\2
(1)
roooep),
t T:.ffih
(2)
Como el valor de C¡ ha de ser el mismo para modelo y prototipo, al igualar (t) V Q) se obtiene
4,40(lq2
fuerza
rooo(2p)z: 1o-(8¡t
y.
de la
cual
fuerza
:
18.470 kg, como antes
(a) Calcular la escala geométrica del modelo cuando sea necesario tener en cuenta las fuerzas viscosas y gravitatorias para asegurar la semejanza. (b) ¿Cuál será la escala geométrica del modelo
s
si el acéiti empleado en el ensayo sobre modelo tiene una viscosidad cinemática de 10 x 10- m2lseg
y el líquido en el prototipo tiene una viscosidad de 80 x 10-s m2/seg? (c) ¿Cuáles serán las relaciones de velocidades y caudales para estos líquidos si la escala geométrica modelo-prototipo
es1:4?
Solución:
b)
En esta situación deben satisfacerse simultáneamente las igualdades de los números de Reynolds y de Froude. Se igualarán las relaciones de velocidades para cada una de las leyes de modelos. Mediante los resultados obtenidos en los Problemas 19 y 20,
Número de Revnolds Z.
:
número de Froude Z.
(vlL),: JL,s,
Como g,
:
1, se obtiene
L,:
Y213.
y't :!'
a,: (iH#
(á)
Utitizando la relación de longitudes anterior,
(c)
Mediante la ley de modelos de,Froude (véanse Problemas 18
v,=\/ W,=\/ r^=JT=
1
O mediante la ley de modelos de Reynolds
t_
'L
r0/80
rl4
1
r
=-v2'
Q"
y
La
escala del modelo es 1:4'
y 19)'
Q,=r':it'
=(1)"'=#
(véase Problema 20)'
= A,v, =
Li";
= L,v, =jf#l
=
1
óa
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
68
[cAP.
s
Problemas propuestos
35.
3ó.
37.
38.
Comprobar dimensionalmente la expresión
q.
p (dvldy).
Demostrar mediante los métodos del análisis dimensional que la energía cinética de un cuerpo es igual a K
Mediante los métodos del análisis dimensional probar que la fuerza centrífuga viene dada por K
M
V2.
M V2lr.
Un cuerpo cae libremente una distancia s partiendo del reposo. Desarrollar una ecuación para la velocidad.
Sol.
39.
r:
V: K\Fg
Un cuerpo cae libremente durante un tiempo
Sol. V: KCT
I
partiendo del reposo. Desarrollar una ecuación para la velocidad.
Desarrollar una expresión que dé la frecuencia de un péndulo simple, suponiendo que es función de Ia longitud
y de la masa del péndulo y de la aceleración de la gravedad. So/. Frecuencia : K JclL
41. Suponiendo que el caudal Q sobre rin vertedero rectangular varía directamente con la longitud Z y
es función
de la altura de carga total 11 y de la aceleración de la gravedad g, establecer la fórmula del vertedero.
Sol. Q:KL¡lttzttlz
42.
Establecer la fórmula que da la distancia recorrida r por un cuerpo que cae libremente, suponiendo que dicha
distancia depende de la velocidad inicial Z, el tiempo T y la aceleración de la gravedad g.
So/. s:KVT(cTlmo
43.
Establecer la expresión del número de Froude al ser éste función de la velocida
g y de la longitud ¿.
4.
45.
So/. Nr: K (V2lLd-"
d
V, la aceleración de la gravedad
Establecer la expresión del número de Weber si es función de la velocidad, V, la densidad
tensión superficial o.
Sol. Nw : K (p L V2lo)-d
y de la
p,dela longitud I
Establecer un número adimensional que sea función de la aceleración de la gravedad g, la tensión superficial o,
la viscosidad absoluta p y la densidad
p.
Sol. Número : X(orplSUnY
6.
Suponiendo que la fuerza de arrastre o resistencia de un barco es función de la viscosidad absoluta p y de la
densidad p del fluido, de la velocidad V, la aceleración de la gravedad g y del tamaño (longitud Z) del barco,
establecer la fórmula que da la resistencia. So/. Fuerza : K(R;'N;d p V2 L2¡
47-
Resolver el Problema 9 incluyendo los efectos de la compresibilidad mediante la magnitud celeridad c, velocidad de propagación del sonido.
Sol. Fuerza : K' R;b N*" p A v2l2
'18. Demostrar que, para orificios geométricamente semejantes, la relación de velocidades es esencialmente igual
a la raíz cuadrada de la relación de alturas de carga.
49.
Demostrar que las relaciones de tiempos y de velocidades, cuando la magnitud predominante es la tensión super-
ficial, vienen dadas por
r" =
$.
{c"i
t/
respecuvamente
Demostrar que las relaciones de tiempos y velocidades, cuando los efectos predominantes son los elásticos, vie-
nen dadas por
^
t--
L.
t/E
/^
v "r'Yr
v
l',. =
t=
I F,
L
respectlvamente
51.
El modelo de un aliviadero
52.
¿A qué velocidad debe ensayarse en un túnel aerodinámico un modelo de ala de avión de 15 cm de cuerda para
que el número de Reynolds sea el mismo que en el prototipo de 90 cm de cuerda y que se mueve a una velocidad
de 150 km/h? En el túnel el aire est¿i a la presión atmosférica.
So/. 900 km/h
se construye a una escala 1:36. Si en el modelo la velocidad y caudal desaguado son,
respectivamente, 0,40 m/seg y 62 llseg, ¿cuáles son los valores correspondientes en el prototipo?
Sol. 2,40 mlseg, 482 m3lseg
53. A
través de una tubería de 15 cm de diámetro fluye un aceite (v : 5,65 x 10-6 m2/seg) a una velocidad de
4 m/seg. ¿A qué velocidad debe circular agua a 15' C a través de una tuberia de 30 cm de diámetro para que
los números de Reynolds sean iguales? Sol. 0,40 m/seg
ANALISIS DIMENSIONAL Y SEMEJANZA HIDRAULICA
cAP. 5l
54.
A
15" C fluye gasolina a
ta a¡¡¡a a 15' C a una
Sol. 33,3 cm
69
mlseg por una tubería de 10 cm. ¿Qué diámetro debe tener una tubería que transporvelocidad de 2 m/seg para que los números de Reynolds sean los mismos?
4
55.
Agua a 15' C fluye a 4 mfseg a través de una tubería de 15 cm. Para que exista semejanza dinámica, (a) ¿a qué
velocidad debe fluir un fuel-oil medio a 27" C por una tubería de 30 cm? (á) ¿Qué diámetro de tubería se
Sol. 5,24 mlseg, d: 7,86 cm
utilizaria si la velocidad del fuel-oil fuera de 20 m/seg?
56.
aire normal a 20" C y a una velocidad de 30,0 m/seg. ¿A qué velocidad
debe ensayarse sumergido totalmente en el agua a 15' C de un canal hidrodinámico Para que se satisfagan las
Sol. 2,28 mlseg
condiciones de semejanza dinámica?
Un modelo
es ensayado en atmósfera de
de 155 m de longitud ha de moverse a 7 m/seg. ¿A qué velocidad ha de ensayarse un moSol. 0,89 m/seg
delo geométricamente semejante de 2,50 m de longitud?
si un modelo a
¿Qué fuerza por metro de longitud se ejercerá sobre un muro de contención del agua de mar
Sol. 15.550 kg/m
escala 1:36 de una longitud de I m experimenta una fuerza de las olas de 12 kg?
57. Un navío de superficie
58.
59.
60.
61.
Un cuerpo anclado está sumergido en agua dulce a 15" C, que fluye a una velocidad de 2,50 m/seg. La resistencia
medida sobre un modelo a escala 1:5 en un túnel aerodinámico en condiciones normales es de 2 kg. ¿Qué fuerza
Sol. 9,60 kg
actúa sobre el prototipo si se dan las condiciones de la semejanza dinámica?
Determinar las expresiones de las relaciones o escalas de velocidades y pérdidas de carga entre modelo y prototipo para un flujo en que las fuerzas dominantes son las viscosas y las debidas a la presión.
Sol. V, : p, LJlt, y Perd. H, : V, lt,lw, L,
Obtener una expresión que dé el coeficiente de fricción/si se sabe que depende del diámetro de la tubería d, de
la velocidad media V, de la densidad del fluido p, dela viscosidad del fluido ¡ty dela rugosidad absoluta de la
Sol. f -- $ (R', eld)
tubería e. Utilizar el teorema de Pi de Buckingham.
Capitulo 6
Fundamentos del flujo de fluidos
INTRODUCCION
Del Capítulo 1 al 4 se han considerado los fluidos en reposo y la única propiedad significativa era
el peso del fluido. En este capítulo se expondrán conceptos adicionales, requeridos para el estudio del
movimiento de los fluidos. El flujo de fluidos es complejo y no siempre puede ser estudiado de forma
exacta mediante el análisis matemático. Contrariamente a lo que sucede con los sólidos, las partículas
de un fluido en movimiento pueden tener diferentes velocidades y estar sujetas a distintas aceleraciones. Tres principios fundamentales que se aplican al flujo de fluidos son:
(q)
el principio de conservación de la masa, a partir del cual se establece la ecuación de continuidad,
(b)
el principio de la energía cinética, a partir del cual se deducen ciertas ecuaciones aplicables
al flujo, y
(c)
el principio de la cantidad de movimiento, a partir del cual se deducen ecuaciones para calcular las fuerzas dinámicas ejercidas por los fluidos en movimiento (véanse Capítulos ll y l2).
FLUJO DE FLUIDOS
El flujo de los fluidos puede ser permanente o no peflnanente; uniforme o no uniforme; laminar
o turbulento (Capítulo 7); unidimensional, bidimensional o tridimensional, y rotacional o irrotacional.
Verdaderamente. el flujo unidimensional de un fluido incompresible tiene lugar cuando el módulo,
dirección y sentido de la velocidad en todos los puntos son idénticos. No obstante, el análisis como
flujo unidimensional es aceptable cuando al tomar como única dimensión espacial, de la que dependen todas las características, la línea de corriente central del flujo pueden considerarse como despreciables las variaciones de las velocidades y aceleraciones en dirección normal a dicha línea de corriente. En tales casos, se consideran como representativas del flujo completo los valores medios de la velocidad, la presión y la elevación, despreciando las variaciones menores. Por ejemplo, el flujo en tuberías
curvas se analiza mediante los principios del flujo unidimensional, a pesar de que la geometría es tridiinensional y la velocidad varia en las secciones rectas de la tubería.
Un flujo bidimensional tiene lugar cuando las partículas fluidas se mueven en planos o en planos
paralelos de forma que la configuración de las líneas de corriente es idéntica en cada plano.
Para un fluido ideal en que no existen tensiones cortantes no pueden transmitirse pares y no tienen
lugar moümientos rotacionales de las partículas fluidas alrededor de su propio centro de gravedad.
Tales flujos ideales, que admiten una representación muy intuitiva mediante la red de corriente, se llaman
flujos irrotacionales.
En el Capítulo 4, los líquidos en depósitos que están girando constituyen un ejemplo de flujo rotacional en los que la velocidad de cada partícula varía en proporción directa a la distancia del centro
de rotación.
70
cAP. 6l
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
7l
FLUJO PERMANENTE
El flujo permanente tiene lugar cuando, en un punto cualquiera, la velocidad de las sucesivas partículas que ocupan ese punto en los sucesivos instantes es la misma. Por tanto, la velocidad es constante reipecto áel tiempl o bien |VlAt : 0, pero puede variar de un punto a otro, es decir, ser variable respecto de las coordenadas espaciales. Este supuesto da por sentado que las otras variables o magnitudea del fluido y del flujo no varían con el tiempo o AplAt :0, Apl6t:0, AQIAt:0,.etc. La mayoría
de los problemas iécnicos-prácticos implican condiciones permanentes del flujo. Por ejemplo, el transporte de líquidos bajo condiciones constantes de altura de carga o el vaciado de depósitos por orificios,
Lajo alturi de carga constante, ilustran flujos permanentes. Estos flujos pueden ser uniformes o no
uniformes.
La complejidad de los flujos no permanentes hacen que su estudio caiga fuera del propósito de
un texto de introducción a la mecánica de los fluidos. Un flujo es no pennanente cuando las condiciones en un punto cualquiera del fluido varían con el tiempo o bien AflAt { 0. El Problema 7 da a co'
nocer una ecuación general para el flujo no permanente y en el Capítulo 9 se presentarán unos pocos
problemas sencillos, en los cuales la altura de carga y el caudal varían con el tiempo.
FLUJO UNIFORME
El flujo uniforme tiene lugar cuando el módulo, la dirección y el sentido de la velocidad no varían
de un punio a otro del fluido, és decir, AVl\s : 0. Este supuesto implica que las otras magnitudes fisicas
del fluido no varían con las coordenadas espaciales o bien |yl1s : 0, Apl1s : 0, 0pl0s: 0' etc. El
flujo de líquidos bajo presión a través de tuberías de diámetro constante y gran longitud es uniforme
tanto si el régimen es permanente como si es no permanente.
El flujo eJ no unifoime cuando la velocidad, la profundidad, la presión, etc., varían de un punto
a otro en la región del flujo, es decir, AVl1s t' 0, etc. (Véase Capítulo 10.)
LINEAS DE CORRIENTE
Las líneas de corriente son curvas imaginarias dibujadas a través de un fluido en movimiento y
que indican la dirección de éste en los diversos puntos del flujo fluido. La tangente en un punto de la
cgrva representa la dirección instantánea de la velocidad de las partículas fluidas en dicho punto. Las
tangentei a las líneas de corriente pueden representar de esta forma la dirección media de la velocidad'
Como la componente de la velocidad normal a la línea de corriente es nula, queda claro que no existe
en ninguno de sus puntos flujo perpendicular a la línea de corriente.
TUBOS DE CORRIENTE
Un tubo de corriente está constituido por una región parcial del flujo fluido delimitada por una familia de líneas de corriente, que lo confinan. Si la sección recta del tubo de corriente es suficientemente
pequeña, la velocidad en el punto medio de una sección cualquiera puede considerarse como la veloci¿a¿ me¿la en dicha sección. El concepto de tubo de corriente se utilizará para deducir la ecuación
de continuidad en el caso de fluido incompresible, o régimen permanente y unidimensional (Problema 1).
ECUACION DE CONTINUIDAD
La ecuación de continuidad es una consecuencia del principio de conservación de la masa. Para
un flujo permanente, la masa de fluido que atraviesa cualquier sección de una corriente de fluido, por
unidad de tiempo, es constante. Esta puede calcularse como sigue
pt At Vt
w,
A1V, :
:
pz Az Zz
wz
Az
Vz
:
constante
(1)
(en kg/seg)
(2)
72
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
Para fluidos incompresibles y para todos los casos prácticos en que ü1
Q
: At Vt :
Az Zz
: constante
(en
:
tD2;
[cAP.
la ecuación
m3/seg)
se
6
transforma en
(J)
At Y Vt son, respectivamente, el área de la sección recta en m2 y la velocidad media de la corriente en m/seg en la sección 1, con significado análogo en la sección 2. fVéase Problema 1.) El caudal se
mide normalmente en m3/seg o bien en l/seg. En los Estados Unidos de Norteamérica en el abastecimiento de ciudades se emplea frecuentemente como unidad el millón de galones por día (mgd).
La ecuación de continuidad para un flujo permanente incompresible bidimensional es
donde
Ar, V, : An,
:
Vz
An, Vt
:
constante
(4)
donde las magnitudes An representan las áreas normales a los respectivos vectores velocidad (véanse
Problemas 10 y 11).
La ecuación de continuidad para flujos tridimensionales se deducirá en el Problema 7, para rég¡men permanente y no permanente. Para régimen permanente se reducirá la ecuación general para flujos
uni y bidimensionales.
RED DE CORRIENTE
Las redes de corriente se dibujan para representar la configuración del flujo en casos de flujos bidimensionales y en algunos casos también en tridimensionales. La red de corriente está formaáa por
(c) una familia de líneas de corriente espaciadas de tal forma que el caudal es el mismo entre cada dos
4
pares de líneas y (á) otra familia de curvas ortogonales a las líneas de corriente, y espaciadas de tal forma
que la separación entre ellas es igual a la separación entre las líneas de corriente ádyacentes. para describir completamente un flujo, con condiciones de contorno dadas, se requiere un número infinito de
líneas de corriente. No obstante, el número de líneas de corriente empleádas prácticamente es el mínimo necesario para obtener la precisión deseada.
Aunque la técnica del trazado de la red de corriente se sale del propósito de un texto de introducción, el significado de dicha red de corriente sí es importante (véanse Froblemas 13 y la). Cuando se
ha obtenido la red de corriente para una forma de los contornos que limitan el flujo, dicha red puede
utilizarse para todos los flujos irrotacionales en tanto que los contornos sean geométricamente semejánbs.
ECUACION DE LA ENERGIA
Se obtiene
la ecuación de energía al aplicar al flujo fluido el principio de conservación de la energía.
La energla que posee un fluido en movimiento está integrada por la énergía interna y las energías tebidas a la presión, a la velocidad y a su posición en el espacio. En la dirección del flujo, el principio de
Ia energía se traduce en la siguiente ecuación, al hacer el balance de la misma:
Energía en la ,
sección I
Energía Energía Energía
:
añadida perdida - extraída
Energía en la
sección 2
Esta ecuación, en los flujos permanentes de fluidos incompresibles con variaciones en su energía
interna es despreciable, se reduce a
,'Dt V;
.
r
rr : (ff+2¡rrr¡
rpz V2z ,
l',¡-V¡- z,) 'r Ho. - Ht
- Hn
r
(5)
La ecuación anterior se conoce con el nombre de teorema de Bernoulli. En el Problema 20 se dará
una demostración de la ecuación (5) y las modificaciones para adaptarla al caso de fluidos compresibles.
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
cAP. 6l
t)
Las unidades de cada término son kgm/kg de fluido o bien metros de fluido. Prácticamente, todos
los problemas que entrañan flujos de líquidos se resuelven básicamente con esta ecuación. El flujo de
gases, en muchos casos, va acompañado de transferencia de calor y se necesita la aplicación de los principios de la termodinámica, lo que se sale fuera del propósito de este libro.
ALTI.JRA DE VELOCIDAD
La altura de velocidad representa la energía cinética por unidad de peso que existe en un punto
en particular. Si la velocidad en una sección recta fuera uniforme, la altura de velocidad calculada con
esta velocidad uniforme (o velocidad media) daria la energía cinética correcta por unidad de peso del
fluido. Pero, en general, la distribución de velocidades no es uniforme. La energía cinética verdadera
se determina por integración de las energías cinéticas diferenciales de una a otra línea de corriente (véase Problema 16). El factor de corrección q de la energía cinética, por el que hay que multiplicar el término V],12g viene dado por la expresión
donde Z :
u:
A:
i Í ^(i)'ao
(6)
velocidad media en la sección recta
velocidad en un punto genérico de la sección recta
área de
la
sección recta.
Teóricamente puede verse que a : 1,0 para una distribución uniforme de velocidades, a : 1,02
a 1,15 para flujos turbulentos y a:2,00 para flujo laminar. En la mayoría de los cálculos en la mecánica de fluidos se toma a igual a 1,0, lo que no introduce serios errores en los resultados ya que la
altura de velocidad representa, por lo general, un pequeño porcentaje de la altura total (energÍa).
APLICACION DEL TEOREMA DE BERNOULLI
La aplicación del teorema de Bernoulli debe hacerse de forma racional y sistemática. El procedimiento sugerido es el siguiente:
(1) Dibujar un esquema del sistema, seleccionando y marcando cada una de las secciones rectas
bajo consideración.
(2\ Aplicar la ecuación de Bernoulli en la dirección del flujo. Seleccionar el plano de referencia
para cada una de las ecuaciones escritas. Se escoge para esto el punto de menor elevación
para que no existan signos negativos, reduciendo así el número de errores.
(3)
Calcular la energía aguas arriba en la sección 1. La energía se mide en kgm/kg que se reducen
en definitiva a metros de fluido. En los líquidos, la altura de presión puede expresarse en uni-
o absolutas, manteniendo las mismas unidades para la altura de
presión en la sección 2. Para los líquidos resulta más sencillo utilizar unidades manométricas, por lo que se usarán a lo largo de todo el libro. Deben utilizarse alturas de
presión absoluta cuando no es constante el peso específico u. Como en la ecuación
de continuidad, V, es la velocidad media en la sección, sin apreciable pérdida de precisión.
Añadir, en metros de fluido, toda energía adicionada al fluido mediante cualquier dispositivo mecánico, tal como bombas.
Restar, en metros de fluido, cualquier energía perdida durante el flujo.
Restar, en metros de fluido, cualquier energía extraída mediante dispositivos mecánicos, tal
como turbinas.
Igualar la anterior suma algebraica ala suma de las alturas de presión, de velocidad y topográfica o elevación en la sección 2.
Si las dos alturas de velocidad son desconocidas, relacionarlas mediante la ecuación de continuidad.
dades manométricas
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
74
FUNDAMENToS DEL FLUJo DE FLUIDoS
[cAP.
6
LINEA DE ENERGIA O DE ALTURAS TOTALES
La línea de alturas totales es la representación gráfica de la energía de cada sección. Para cada sección representativa puede representarse, respecto de un plano de referencia, la energía total (como valor
lineal en metros de fluido) y la línea obtenida de esta forma es de gran ayuda en muchos problemas de
flujos. La línea de energías totales tiene una pendiente decreciente (cae) en el sentido del flujo, excepto
en las secciones donde se añade energía mediante dispositivos mecánicos.
LINEA DE ALTURAS PIEZOMETRICAS
La línea de alturas piezométricas está situada por debajo de la línea de alturas totales en una cantidad igual a la altura de velocidad en la sección correspondiente. Las dos líneas son paralelas para todos
los tramos en que las secciones rectas tienen la misma área. La ordenada entre el eje de la corriente y
la línea de alturas piezométricas es igual a la altura de presión en la sección en cuestión.
POTENCIA
La potencia se calcula multiplicando el caudal en peso, kg/seg, (wQ) por la energía
Así resulta la ecuación
: w Q H : kg/mt x
PotenciaenCV:wOHl75.
Potencia P
m3/seg
x
kgm/kg
:
11 en kgm/kg.
kgm/seg
Problemas resueltos
1.
Deducir la ecuación de continuidad para un flujo
permanente en el caso (a) de un fluido compresible
y (á) de un fluido incompresible.
Solución:
(a) Se considera
un flujo a través de un tubo de corriente,
siendo las secciones 1 y 2 normales a las líneas de corriente que forman el tubo. Para un valor de la densid,ad p, y una velocidad normal Vr, el caudal en masa
por unidad de tiempo que atraviesa la sección I es
p, V, dAr, ya que V, dA, es el volumen por unidad
de tiempo. Análogamente, el caudal en masa que atraviesa la sección 2 es p, V, dAr. Como en un flujo per-
manente la masa no puede variar con el tiempo, y
como no hay paso de fluido a través de la superficie
que contornea el tubo de corriente, el caudal en masa
a través del tubo de corriente es constante. Por tanto.
prV,
Fig.
6-1
dA, = prV"d,A,
(A)
Lasdensidadespty pz semantienenconstantesencadaseccióngenérica dA,ylas velocidades VryVrrepresentan las velocidades del fluido en el tubo de corriente en las secciones
I y 2, respectivamente.
De aquí,
0,,, .f^d"A, = erv,
fo"dA,
Integrando
p,VrA, = pzvzAz
o
MrVrA, = wrV"A,
(B)
cAP.6l
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE
(b) Para fluidos incompresibles (y para algunos
pt: pz.por tanto,
Q
: At Vt :
FLUTDOS
casos de flujos compresibles)
Az %
: constante
75
la densidad es constante, es decir,
(c)
(en m3/seg)
Así, el caudal es constante a través de un haz de tubos de corriente. En muchos casos de flujos de fluidos
pueden utilizarse en las ecuaciones de continuidad (B) y (C) las velocidades medias en la sección transversal.
2.
Por una tubería de 30 cm de diámetro circulan 1800 l/min, reduciéndose después el diámetro de
la tubería a 15 cm. Calcular las velocidades medias en ambas tuberías.
Solución:
Q en m3/seg
:
:
# x lo-3 m3/seg
O en m3/ses 0.030
: r-r(o3or :
v*: ffi
3.
o'43
Y
m,seg
o,o3o m3/seg
vts
:
0,030
;n¡(.lsP:
r'/u
m/seg
Si la velocidad en una tubería de 30 cm es de 0,50 m/seg, ¿cuál será la velocidad en el chorro de
7,5 cm de diámetro que sale por una boquilla unida al extremo de la tubería?
Solución:
: An Vn :
At,s Zt,r o bien como las áreas son proporcionales al cuadrado
Q,r2 h,s. Por tanto, h' : QOl7,5)2 Vzo:16 x 0,50 : 8,0 m/seg.
Q
4.
de los diámetros (30)2
Z.o
:
A través de una tubería de 15 cm de diámetro circula aire a una presión manométricade2,l0kglcm2
y una temperatura de 38" C. Si la presión barométrica es de 1,030 kglcm2 y la velocidad de 3,20 m/seg,
¿cuál es el caudal en peso que está fluyendo?
Solución:
En la ley de los gases hay que emplear unidades absolutas tanto en la temperatura como en la presión (kg/m').
Por tanto,
üaire:
donde R
:29,3,
12,10
+
x
1.03)
lOa
:
3'43 kslm3
constante de los gases para el aire, se ha obtenido de la Tabla
W en kglseg
5.
p
i¡: =a¡otiztl
:
wQ
: wArrVr, :
3,43 kglm3
x
!n(0,15)2 m2
x
I
3,20 m/seg
del Apéndice.
:
0,194 kg/seg
Por la sección A de una tubería de 7,5 cm de diámetro circula anhídrido carbónico a una velocidad de 4,50 m/seg. La presión en ,4 es de 2,70 kglcmz y la temperatura de 21" C. Aguas abajo en
el punto B la presión es de 1,40 kglcm2 y la temperatura de 32" C. Para una lectura barométrica de
1,030 kg/cm2, calcular la velocidad en -B y comparar los caudales volumétricos en A y B. El valor
de R para el anhídrido carbónico es de 19,30, obtenido de la Tabla 1 del Apéndice.
solución:
u'o
3.13 x loa
: P,q
:
l-r: ,rt
(a) I4 en kglseg : waAaVa:
5.52
kg¡mr.
w6A6Vs. Pero como
At :
tDs
2.43 x
: iffi
Q,q:AtVe:+TE(0,075)2
:
4.13 ks/'m3
An, se tiene
b.qV,c: wsV, : 5,52 x 4,50 : 4,l3Vn
(b) El caudal en peso es constante, pero el caudal
loa
y
Vn
:
6,0 m/seg
en volumen variará por diferir el peso específico.
x4,50:19,9x 10-3m3/seg, Qn:AnVa:in(0,075)2 x6,00:26,5x
10-3m3/seg
76
6.
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
6
¿Qué diámetro máximo de tubería será necesario para transportar 0,230 kg/seg de aire a una velocidad máxima de 5,50 m/seg? La temperatura del aire es de27" C y la presión absoluta de2,40kglcm2.
Solución:
w
p
üai'¡e:;i:
:
0,230 kslses
Area mínima
r
: y1g o
e
2.40
:
x
lDa
kglm3
ffi:2'73
: Y :o:']) ,o4,*::
necesaria : *a*;r
necesaria
De aquí, diámetro mínimo
7.
[cAP.
:l;:
,,o
0,084 m3/seg.
:0.0153 m2 :
""
153 cm2
14 cm
Desarrollar la ecuación general de continuidad para un flujo tridimensional de un fluido compresible (a) en el caso de flujo no permanente, y (á) en el de flujo permanente.
pu(dy d.z)
Fig.
Solución:
+ fr|"
ds d.z)dr
6-2
(a) Sean
las componentes de la velocidad en las direcciones x, y y z, respectivamente, u, u y u. Se considera el
flujo a través de un paralelepípedo rectángulo de aristas dx, dy y dz. La masa de fluido entrante, a tr4vés de
una de sus caras, en dicho volumen por unidad de tiempo es igual al producto de la densidad del fluido por
el área de la cara y por la velocidad normal a la cata, es decir, en la dirección x, pu(dy dz). En la dirección
x los flujos aproximados son (véase Fig. 6-2)
Flujo entrante pu(dy
dz) y
Flujo saliente pu(dy dz) +
!ox fpu dy dz)dx,
o el flujo entrante aproximado * -*@udydz)dx o bien -r9 @udxdydz).
Si se escriben expresiones análogas para los flujos entrantes netos en las direcciones l, y z, y sumamos
los tres, el flujo neto entrante
será
á + ó I
+ *ou
- [d
*ow)dxdudz
lmo"
Estas magnitudes son más precisas al hacer tender
El
aumento de masa
a
cero dx, dy
y
dz.
por unidad de tiempo en el interior del paralelepípedo
a
lt\p
dfr da dz)
!ldlt
3t'
du dzl
será
cAP. 6l
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
7',|
donde )plAt es la variación por unidad de tiempo de la densidad en el interior del volumen. Como el flujo
entrante neto ha de ser igual al aumento por unidad de tiempo de la masa, se obtiene
+ ]pu
-[*0,,
dzr,,1 itrdsctz =
da * +
Idx
l
al
Por tanto, la ecuación- de continuidad tridimension
sible toma la forma
l(rddldp f
- l-p¿f
;-pu
da
Ld,
(b) Para un flujo
fi@*au
a")
para un flujo no permanente de un fluido compre-
-r;-pLU | =
dz _)
(A)
-:
dt
permanente no varian las propiedades del fluido con el tiempo, es decir, 0pl0t
flujo permanente y compresible la ecuación de continuidad
l,ir,*****,*f
Si el flujo además de permanente es incompresible (p
:
:0.
Para un
es
=
(B)
o
constante) la ecuación tridimensional adopta
la forma
)zt
0u
]to
(c)
a;'aatE=u
Si Awl4z
:
0, el flujo permanente es bidimensional y
0u T"6'u
= 0
^
dÍ
du
Cuando simultáneamene Awl1z
(D)
y AulAy: 0, el flujo permanente es unidimensional
y
lLo
dx
(E)
Esta ecuación es la del flujo uniforme.
8.
Comprobar si se satisface la ecuación de continuidad para un flujo permanente e incompresible,
cuando las componentes de la velocidad vienen dadas por
1t : 2r2 - rA + 22, 1) = 12 - 4ry I y2, ut : -ZrU -'!lz
+
A2
Solución:
Derivando cada componente respecto de la coordenada apropiada,
0u/0r
Sustituyendo en la ecuación
tisface.
9.
- 4*- A,
= -4ul2y, Aw/Az = -A
(C) del problema anterior, (4* - y) + (-4x + 2y) + (-y):0.
0u/0y
Las componentes de la velocidad de un flujo incompresible no permanente son
u:
(x
- 2y)t y w :0.
¿Se satisface
Luego se
,:
(2x
la ecuación de continuidad?
Solución:
Derivando cada componente iespecto de la coordenada apropiada,
lzt/0u
= 2t,
Au/óg
= -2¿,
]y.t/62
=
0
Sustituyendo en la ecuación (C) del Problema 7 da 0. Luego se satisface.
10.
¿Son posibles los siguientes valores de
(a)
u:4rytU2,
a
u y u para un flujo permanente e incompresible?
:6ry-tBr
(b)
u:2r2+y2, u :
--4r?J
Solución:
Para el flujo bidimensional dado debe satisfacerse la ecuación (D) del Problema
@) Au/6r
- 4y, 0ul0y - 6x, 4A 16r - 0
El flujo no es posible.
(b) c)u/ar - 4r,
0D/0U
7.
- -4x, 4x- 4r --
El flujo es posible.
0
-
sa-
3y)t,
FUNDAMENTOS DEL IILJJO i-:F- PLUIDOS
78
11.
[cAP.
6
Entre dos placas convergentes de 45 cm de anchura circula un fluido y la distribución de r':locidades viene dada por la expresión
D - zL(r- L\
\
'llo/
?,nax
Para los valores
flo:
7Zo
5 cm y ümax
:
0,30 m/seg
determinar (a) el caudal total en m3/seg, (á) la
velocidad media en la sección considerada y
(c) la velocidad media en la sección en la quc:
n: 2 cm.
Solución:
(a)
dibuio.
será
o=
fo"o
ron =
+f
I
:
(b)
La velocidad media Zo
(c)
Mediante la ecuación (4),
;
1""'(n-n,/no),.tt¡
y el caudal total Q: 5 x 10-3(0,45):2,25
12.
!'ig.
El flujo por unidad de anchura, perpendicular al
qlno
:0,10
,¿,n,rx
?¿q
5
x
6-3
10-3 ru3fseg m de anchura
>: 10 3 :r-',:;e.-
m/seg, donde
zn - 0.()5 rn. C) bieri V-o .- QIA .- 0,10 m/seg.
VoA^.: VtAn,,0,10(0,0i){{),4í) -
f'r(0.1')2}(0.''l-<), rie ilold,e,
I'.,
.. 0,25 m/seg.
Si los módulos y direcciones de las velocidades s'.: nliiier¡ i'ir rrri irl¿ino ',ctijr:ai YY en puntos distanciados Ay, demostrar que el caudal 4 por uniciaci dq irncir¡r'¿ ilri:ile crpresarse por LurLy.
(¡
Fis.
l
6-4
Solución:
Caudal por unidad de anchura : a : 2 Aq, dc'il<l.e c¿d:, h¿l ''r:¡t-- daCo pc,r" r(Alni.
De la Fig. 6-4(b), A'B' : LA^: Ay cos c. De rjr,.-¡de ri = f r(Al, cr¡s e) '.. ! 1;,Ay pctr ur'idad de anchura.
13. (a)
Explicar brevemente el procedimiento para ciibujar ia red de corriente en ei caso de un flujo
bidimensional permanente de un fluido ideai entre los contr¡rnos daclos en la Figura 6-5.
(b)
Si la velocidad uniforme en la sección 2 es i¡lu¿tl a 9.C m/seg y los 'alore-" de Ant son iguales
a 3 cm, determiiar el caudal q y la velocicllci ii¡iifori'iie er: la s,tcciórr ! " donde los An t son
iguales a 9 cm.
cAP. 6l
79
Solución:
(o) Ei
¡r:';-r:edimicntr pai,, riibi:j:ri
i:r ,:i' Ll;:
co¡¡icilte eit r:tie rt.rs() ¡r;c,':¡ 1i,l.1';;1s,: :r. r,rsos rlt,s cct;flEir,s. i)¡.¡í: tt., ii,"r(t /.i4,iJ 'ripfarc$ic c('n]0 lli¡lr€
:
1. E¡i tur¡ :-.glcirir c:'ir-; coi'tür'ii,r:, ;:,-rllr
-l-' divirir cl i1u¡r .rrt rrn r-1,.' l.r ii.r-r:
,i¿ hi¡ncl.i¡ tie ,*r.rrll .'ncl1 ir:r ''i,r i-..
pti{:st[¡ '-jlie s., ]'ii.\..:rjrtdi) li*i I'ii¡ir i-it:i,
ciii:il. :il c5"¡esc: lririJ¿l(i,, rlr:l¿nilr,::l
i,:.-' ::i .'r.i-.ir:,.,, i,l¿d:; i:ti;,r:." ;, i\ie'riL!:i
uii ;i..i:1i) ilr) Ji'i,i.:rl:: Jirti:.' .., r;..'t' i'.
Fig. 6-5
-)ir - t.r:f t.
nga_s ne ,lcit-lt,-,,,..: ,. ,',,e:r
CO;,i.'; :' ' : , {1.- r'\ ') )i.,';el f rr.;r' ,,'.'li cr¡rr-l'i rllr;irrit.lr. rii i':i,..r . ¿irciales iguales por cada una de las bandas y Lq
lil.r
l:l
:_:
¡
tantr:. rl;¡nile lr.
u1f D2
;:
cionei
,'.t,t.,
ir.r
i
n, :
=
u(An)
:: s6n5-
i: :r':r:.,,,,ii)lc a la velocidad local. Como Lq = urLn, = D2Ln2, se deduce
. ,'i"'r'r t', \-'l -. ri) menores son los valores de Ln y AS más exactas son las fela-
,i,r r.'¡r,i¡:
-l.r'i:.; :'r,
¡-:.-:cq¡::' 1:l -:rr':,.iro suficiente de líneas de
corriente para que la exactitud sea acep-
table, .,.. .'l:rir,' ,:ri t,,1t.,,¡,;,:'r,,; ..'i:ramientos y detalles en el dibujo.
2. Para r¡ri,:, .:,, i;: -r,¡.', ,,;r,r j' ;:,ir líneas de corriente se dibujan las líneas normales a aquéllas o líLn.Las líneas equipotenciales
neas cquij-¡,',rr',,,.';::;rl i.:¡,:r, \t,t,,j, "'{!án espaciadas de forma que
^.t: y a los contornos ya que éstos
son orror¡',¡¡iír! ¡. 'is 1i-re:,, 'ri' ¡ rri:nte en cada punto de intersección
sonl;rlearr.ii¡:ir¡:¡i¿;,,¡"r)rr,:ir,r '',,'r;iil€ldiagramaobtenidoseasemejaaungrupodecuadrados(aproximacla¡n"r :) íi I ';i :,'r, "le i .,1'. ;;t ¡ed de corriente.
3. En la: zo:ri'. ú,iirirris 1,',':ii: '.r';ji: los contornos cambian de forma no se pueden mantener los cuadradcs. ,i..-:1,v,.:.\? l:, c.rliigr,iii,.'i.¡i. ,l;: la red de corriente,y paru obtenerla de la manera más correcta
sera nec*;:r';, ití¡-i¡i.ii-'iiarl¿, 'l ill.;1,;Co las diagonales a través de todos los <cuadrados> (curvilíneos).
Las dos ra;i,.',¡i ,,' ,t,.li.:li jr! iclmarán también una red aproximadamente cuadrada.
,.: ,'( i.í,:ir(rr son líneas de corriente verdaderas. Si no sucede así, la red de co4. Mucha\ ';ricur ¡
i.
: r.:"i,:.r:::...an real del flujo. Por ejemplo, cuando el flujo se (separa) del con''rl
1'rú
ril
,
,
rrientJ
'i
'' ,-.,,i;:1; :'l:iizarse el contorno como una línea de corriente. En general, cuando
tomo- {,1-} :ti¡ ',:l-il!
las línl:ls r1 - :., '":r:
1-,;, .,-.;'.i \:.¡f-es se dan las condiciones para que se pueda producir el fenómeno
de la sc:,l-'.'',: '
lu c¡-.j:1,,.ri1; r'r'r1 ,',i:er i,..: 1i,: flujos irrotacionales está basada en la definicióndelafunción de co'ic i'., ,:rcipio de continuidad y las propiedades de una línea de corriente. El
r r iente, cuy¿ (i*¡!-!:r;,ii rl
"
I ':..:'..'¡rrrr'cualesquiera
caudal ry' eilr.r:-' r-irr.: l,,l::,
es constante (ya que el flujo no puede atravesar las líneas de cort.r .ir:). ,/ :-ir i..
;:tJ : c: .t, r:rrlrse en función de x e y pueden dibujarse las líneas de corriente. Anár
logamente, la. lil'¡,: r;
siones es faci,',ri:. ,';r.i;.i
,11.',,¡:.-'¡,,¡11;.-
pueden definirse por
':' t' :
,, r :
Y:.;"
Estas ecuacionc! r'. ,l
A partir
de estas expre-
para las líneas equipotenciales
-aólay
| !r: a la ecuación de Laplace, es decir,
d'\,
ecuación de
constante.
para las líneas de corriente
-ArllAx
AA'
y la
Q@,y):
:r:--
cr
^
= u
3u
dr
o
d'ó
d'ó
=
-; ---,
da'
0r'
u
a1;
da
En general, se dete;
rbujan las funciones equipotenciales. A continuación se trazan las líneas de
corriente, ortogona
nteriores, obteniendo la red de corriente.
Este tipo de solu
xactas pueden verse en textos de Mecánica de Fluidos Superiores, en Hidrodinámicas o en los dc -Jría de Funciones de Variable Compleja.
(b)
anchura: q:2Lq--
l qt* Q"* Q¿* Q"-- S\ur)(A,,).
Para I unidad de anchura, A.,: l(Lnr) y q : 5(9,0X1 x 0,03) : 1,35 m3/seg por unidad de anchura.
Por tanto, DÉ,ra Lnr: 0,09 m, 5 u1(0,09 x 1) : 1,35, de donde ut : 3,0 m/seg.
ul puede determinarse también a partir de: utfut = LnzlLnt, arf9,0 = 0,03/0,09, ur : 3,0 m/seg.
Caudal/unidad de
q,
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
80
[cAP.
6
14. Dibujar
las líneas de corriente y equipotenciales para las condiciones de contorno dadas en la
Fig. 6-6. (Las áreas que están sin terminar de dibujar se dejan para que las utilice el lector.)
Solución:
ACB
Fig'
l.
6-6
En las zonas donde el flujo tiene lugar entre contornos paralelos se divide la anchura total en 4 partes iguales
o tubos de corriente (en AA y er BB). Hay que tratar de dibujar la trayectoria de una partícula a lo largo de
una de estas líneas de corriente, dibujando, por ejemplo, la línea 1-1 (véase el problema precedente). Se procede en igual forma con el resto de las líneas de corriente.
Las líneas equipotenciales han de ser ortogonales, tanto a las líneas de corriente como a los contornos, en
todos los puntos. Se han de esquematizar de manera que formen aproximadamente cuadrados. Partiendo
de la sección central. se dibujan estas líneas ortogonales en cada dirección. Antes de obtener una red dg corrrente de manera satisfactoria será necesario utilizar con frecuencia la goma de borrar.
dibujan las diagonales (a trazos en la figura) para comprobar la bondad de la red de corriente. Estas diagonales deben formar también una red cuadrada.
Se
En la figura la zona C se ha dividido en 8 tubos de corriente. Se observa que los cuadriláteros curvilíneos
más pequeños se aproximan en su forma a cuadrados más que los de mayor tamaño. Cuanto mayor sea el
número de tubos de corriente, la red de corriente será más <cuadrada>.
15.
En la Fig. 6-7 se representa una línea de corriente correspondiente a un flujo bidimensional y las líneas equipotenciales, ortogonales a
las primeras, y representadas por los segmentos
numerados del 1 al 10. La separación entre las
líneas equipotenciales se da en la segunda columna de la tabla que figura más adelante. Si
la velocidad media entre 1 y 2 es 0,500 m/seg,
calcular (a) las velocidades medias entre cada
dos líneas equipotenciales y (á) el tiempo que
taróatá una partícula fluida en recorrer el espacio entre 1 y 10 a lo largo de la línea de co-
^S
constante a partir de l0
Fig.
6-7
rriente.
Solución:
{a) Utilizando las relaciones entre la
velocidad
y Ar del Problema 13,
Vt-zLnt-z = Vr-"Lnz-s = Vs-t\ns-n =,...
ASr-¿ = Azr-2,
Además
Por tanto,
:
A7¿z-¡,
0,500(0,500/0,400) : 0,625 mlseg. Análogamente, Vt-+ :
0,833 m/seg, etc. Los valores así obtenidos para las velocidades medias se dan en la
Vz-t ? VL-2(LSL-2lLSr-.) :
0,500(0,500/0,300)
siguiente tabla.
ASz-s =
cAP. 6l
81
FUNDAMENTOS DEL FL.UJO DE FLUIDOS
t1
0,500
0,400
0,300
0,200
0,100
0,0700
0,0450
0,0300
0,0208
z-J
J-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-
l0
z:
asl _2/as
A.l (m)
Posición
l : (LS)lv
0,500(0,500/As)
m/seg
seg
1,000
1,250
0,500
1,000
0,625
0,640
0,360
0,1 60
0,040
0,020
0,008
0,004
0,002
|,667
0,833
2,500
5,000
2,500
7,r43
3,57r
r,250
11,11
16,67
24,00
t
8,33
2,00
2
(b) El tiempo que tarda una partícula en recorrer
l y2obien
lavelocidadmediaentre
tr-r:
de
:
2,234 seg
I a2 es igual a la distancia entre 1 y 2 diüdida por
: 1,000seg.Análogamente,tz-t: Q,40010,625)
(0,50010,500)
: 0,640 seg. El tiempo total que tarda en recorrer la distancia entre 1 y 10 es igual a la suma de los términos de la última columna, es decir, 2,234 seg.
16.
Deducir la expresión del coeficiente a de corrección de la energía cinética para un flujo permanente e incompresible.
Solución:
La energía cinética de una partícula esldMo2,y la energía total de un flujo fluido
será
f,f ^,0u,,' - ;Í,?ronr,' = # Í^(udA)uz
Para calcular esta expresión debe extenderse la integral a toda el área A.
La energía cinética calculada mediante Ja velocidad media en una sección transversal es |(wQldvz* :
i(wAldVL. Aplicando a esta expresión un coeficiente de corrección a e igualando el resultado a la energía cinética verdadera, se obtiene
"{fi){':'¡
=
*Y
! ^tu anr"
I Í ^t¿¡'oo
o
17. Un líquido está fluyendo a través de una tubería circular.
dada por la ecuación u
nética
:
u^u*(rf;
a.
-
Para una distribución de velocidades
r')1r3, calcular el coeficiente de corrección de la energía ci-
(b)
(¿)
Fig.
6-8
Solución:
Es necesario calcular la velocidad media para aplicar la fórmula obtenida en el Problema 16.
A partir de
la ecuación de continuidad,
rl'
a
A
t
u dA
rr:
"r:
J @^*/rZ)@3
r2)(2tr
clr)
f 'o
rl .t, \'^'
2u-^*
?)m.*
-'
'(¡'
2
-l
Este valor podría haberse obtenido también al considerar que la ecuación
dada representa una parábola y que
el volumen del paraboloide generado por dicha distribución es igual a la mitad del volumen del cilindro circuns-
crito. Por tanto.
I/",
=
volumen/seg
área de la base
l?rl)u^^*
¡12,
2
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
82
Utilizando el valor de la velocidad media en la ecuación que da
a = ', ( (#\"oo
A Jo'v^",
(Véase
f8.
Flujo laminar en el Capítulo
=
\-,
[cAP.
a,
('"(:a!:!!5\s2rrdr :
rrí Jo.
6
2,oo
É"-.,
7.)
A
través de una tubería de 15 cm de diámetro está fluyendo aceite de densidad relativa 0,750 a
una presión de 1,05 kglcmz. Si la energía total respecto de un plano de referencia situado 2,40m
por debajo del eje de la tubería es de 17,6 kgm/kg, determinar el caudal de aceite en m3/seg.
Solución:
Energía por kg de aceite
17.6
:
:
energía de
*
presión
energía cinética (altura
de
velocidad)
*
energía
potencial
x lo¿ r?t
* *,_oo
0,750 x 1000 29
l,o5
dedondeVl5:4,85m/seg.Portanto,Q:AtsVts:*ft(0,15)'zx4,85:86x10-3m3/seg.
19.
Una turbina produce 600 CV cuando el caudal de agua a través de la misma es de 0,60 m3/seg.
Suponiendo un rendimiento del 87 /,, ¿qué altura actúa sobre la turbina?
Solución:
:
:
600
Potencia de salida (CV)
x
potencia consumida (CV)
(1000
x
0,60
rendimiento
x Hrl75)(0,87)
!
:
Hr:
(wQHrl75)
x
rendimiento
86,3 m.
20. Deducir las ecuaciones del movimiento para un flujo permanente
y un fluido cualquiera.
Solución:
Se considera como cuerpo libre la masa elemental de fluido dM mostrada en la Fig. 6-9(a)y (ó). El movimiento tiene lugar en el plano del papel y se escoge el eje x paralelo a la dirección del movimiento. No se han
representado las fuerzas que actúan sobre el cuerpo libre dM en dirección normal al movimiento. Las fuerzas
que actúan en la direcoión x se deben a (1) las presiones que actúan sobre las caras de los extremos,.(2) la componente del peso y (3) las fuerzas cortantes (dF" en kilogramos) ejercidas por las partículas fluidas adyacentes.
(p
*
,EW=
Fig.
dp)dA
I
-,illdA
us
6-9(a)
De la ecuación del movimiento E.F,
l+
Dividiendo (1) por
p dA
w
(p
-
:
Mo*, se obtiene
-t dp)dA - w clA dI sen a" -
(f
dtr'"1
)
dA y sustituyendo dlldt por la velocidad
z _p- _dp
L1D w 1.0-
I
drsen a_
'
-
v dv
i+-l
wdAJ =
S
(2)
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
cAP. 6l
dFr
El término --j
83
representa la resistencia que se opone al movimiento en la longitud dl. Las fuerzas cor-
tantes dFt pueden sustituirse por el producto de la tensión cortante r por el área sobre la que actúa (perímetro x
: 7 ¿P ¿¡.
dFt : rdPdl : tdl
Asi, -i
donde R se conoce con el nombre de radio
* dA *,
longttud), es decir, dFt
hidráulico y se define como el co-
ciente del área de la sección recta por el perímetro mojado o, en este caso, dAldP. La suma del trabajo realizado
por todas las fuerzas cortantes mide la pérdida de energía debida al flujo, y, medida en kgm/kg,
pérdida de carga dh,
:4:
-kslT1l+-:
kg/m3 x m2/m
wR
Para [uturas relerencias,
r _ *n(#)
Volviendo sobre la expresión (2), como dl sen 0,
:
será
m
(3)
dz, adopta finalmente la forma
dp VdV
'tD s
(/')
Esta expresión se conoce con el nombre de ecuación de Euler cuando se aplica a un fluido ideal (pérdida
de carga : 0). Al integrar la ecuación anterior, para fluidos de densidad constante, se obtiene la llamada ecuación de Bernoulli. La ecuación diferencial (4\, para flujos permanentes, es una de las ecuaciones fundamentales
del flujo de fluidos.
CASO
1.
Flujo de fluidos incompresibles
Para fluidos incompresibles la integración es como srgue:
Í:,'#+ Í"'Yr+
!.",'a,+
f ,'an" =
(A)
o
Los métodos de cálculo del último término se discutirán en los capítulos siguientes. El término de la pérdida de carga total se representa por Hr. Al integrar y sustituir límites,
tPz
l;-;)
Prr,+(zs-w)+tr,-2,\*Hr
,Vi V?t
,P,.V?
* rf+
(#
z,),
- H' =
=
o
tt2
-
(-,o* ro*,,)
que es la forma más conocida del teorema de Bernoulli, aplicable al flujo de fluidos incompresibles (sin adición
de energía exterior).
CASO
2.
Flujo de fluidos compresibles.
Para fluidos compresibles el término
(" d,
J v1 lts
no puede integrarse hasta no conocer la expresión de ru en
función de la variable p. La relación entre u y p depende de las condiciones termodinámicas implicadas.
(a) Para
condicio¡es isotérmicas (temperatura constante) la ecuación general de los gases puede expresarse
en la forma
ptlwt : plw : constanfe o
w : (wtlp)p
donde wrf pt es una constante
yp
viene en kg/m2, siendo presión absoluta. Sustituyendo en la ecuación
r" -g' + f'"vdv * f"a'+ ('a"' =
(*'/P)P
J ',
.t 't
,''
I
),,
o
t
Integrando y sustituyendo límites,
en la forma más conociáa,
#n
(l),
o,
-#
pt Pz 'v3 yi' * k'-z') I Ht =
t' 6 o:* luü
* zt - Ht =
oi,rn o,
+fi
+ ",.
0 o bien
puesta
(B)
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
84
[cAP.
6
esta ecuación con la de continuidad y la ley de los gases perfectos, para condiciones isotérmicas, se llega a una expresión en la que solo es desconocida una velocidad. Así, para un flujo permanente,
Al combinar
lntArvt=wzAzvz
y # : # = RT
dedonde
vr: ffi#"
= *{71r,
Sustituyendo en la ecuación de Bernoulli en su forma (B),
tnnz + fiv;+ z')I
a" = lpt
,n e, + (*\"ey#
[g
\A,t \p1) 29 + "f,
J Llt)t
Lxa), ''
(b\
(c)
Para condicio¡es adiabóticas (sin pérdida ni ganancia de calor) la ley general de los gases perfectos se reduce a
(!\,=4
\11)r/
donde
k
es
pr
-yasi ut=u,(?\,,*
\pr/
r0r
W
" +=t:=constante,
el exoonente
adiabático.
Hallando el valor de dplw e integrando se obtiene
#l:,'# = t*l
Í),'r*-*r,,", =
"#l(tr)'.-'rr'-']
y la ecuación de Bernoulli toma la forma
fr=l #. # + ",)- u, = [t*x#lcl"¡'*'"'' * fi * *)
(D)
Combinando esta ecuaclón con la de continuidad y con la ley de los gases perfectos, para condiciones adiabáticas, se llega a una expresión en que solo figura una velocidad como incógnita.
Mediante
wtAtvt = p2AzVz
,
-
*:^: -- #
constante,
v, = #*
= (X)'r (fi¡r,
y la ecuación de usrnoulli adopta la forma
[rÉl #*(t),,.rfy#+ ",f - u" = [t*x-,tlthyr-",**fi* ")
la Fig. 6-10 están circulando 0,370 m3/seg
de agua de A a,B, existiendo en A una altura
de presión de 6,6 m. Suponiendo que no existen pérdidas de energía entre A y ,8, determinar
la altura de presión en ,8. Dibujar la línea de
alturas totales.
21. En
Solución:
Línea de alturas totales
fi
]_l
_0
I
tl
e.l
I
la ecuación de Bernoulli entre -A y B,
tomando como plano de referencia el horizontal que
r,/2
+
energía añadida
.B
l/60
:
:
QlAn
:
0,3701(tn0,3')
(+)26,24)
g5
:
:
l,3L m/seg.
+Q4
2g
+ 0) -
2,
=
7,5 m
energía per-
-
^
^
+ o - o = (#*
(#*-ri*zo)
donde Z3o
=o.otm
E = t,4rm
Se aplica
pasa por ,4.
Energia en A
dida : energía en
(E)
D
Plano de referencia
r./2
#*
Fig.
"")
6-10
S,Zq m/seg y
Sustituyendo,
0: (-!+
tD
p-!:
(l'JlF
y
t,qt m de agua
+ 4,5)"u)
2g
Puede representarse la energía total en una sección cualquiera como altura sobre un plano horizontal de
referencia. Utilizando en este caso el plano que pasa por D-D,
Altura total e¡
Altura total en
A:p,tlw*V3ol2S+ z,E:6,6 +1,4 + 3,0:11,0 m
B: pnlw -t Vlol2g + zs:3,41 + 0,09 + 7,5: 11,0 m
Se observa que tiene lugar la transformación de una forma de energía en otra durante el flujo. En el caso
presente, parte de la energía de presión y de la energía cinética en I se transforma en energía potencial en .B.
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
cAP. 6l
85
22. En el venturímetro mostrado
en la Fig. 6-11 la lectura del manómetro diferencial de mercurio es 35,8 cm. Determinar el
caudal de agua a través del venturímetro si se desprecian las
pérdidas enfie Ay B.
Solución:
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre - A y B, tomando como
plano de referencia el'horizontal que pasa por A,
-T
Vlo, n, n ,pn, V?,
r,Pn,ri+U)-0:('j+
z8
tD =+0'75)
¿g
y
75,0 cm
I
3 * o,rr¡
(U _ Us: (+ _
wtD¿g¿g
-r
(r)
+
Por la ecuación de continuidad A3oV3o : ArsVts, de donde
ho : (#)2vts : iVts, y V2to : |6Vlr. por la lectura manométrica,
altura de presión en L: altura de presión en R (m de agua)
p.tlw
I
z
*
0,358
:
pnlw
+
0,75
+z+
:
_l_
R
(0,358)(13,6)
- pnlw) : 5,26 m de agua. Sustituyendo en (1),
9,7 mlseg y Q : in(0,15)2 x 9,7 : 0,172 m3/seg.
de la cual (polw
tiene V15
35,8 cm
se ob-
Fig. 6-U
23. Una tubería, que transporta
aceite de densidad relativa 0,877, pasa de 15 cm de diámetro, en la
sección E, a 45 cm en la sección R. La sección E está 3,6 m por debajo de R y las presiones son
respectivamente 0,930 kglcm2 y 0,615 kglcm2. Si el caudal es de 146 l/seg, determinar la pérdida
de carga en la dirección del flujo.
Solución:
Velocidad media en una sección
,,, :
##,¿
:
: QlA.Por
8.26
tanto,
m/ses
y v+s:
0.146
Lne.qst,:
0.e2 m/seg
Utilizando, como plano de referencia, el horizontal que pasa por la sección más baja E, la energ¡a en cada
sección será:
enE.
^
p v?,
::r:):_
w 29
0.930 x lOa (8.26f
! '
0.877 x 1000 29
p vi,
0.ó15
('-L
x loa
r0
:
13,75 kgmTkg
10,92)2
,':)^-;,- l; nnloll." ":r^,:,;i;:';Tffidida
E' nujo ,,"". ,"1",
de carsa se
determina haciendo el balance de energía entre ,E y R, tomando como plano de referencia el horizontal que pasa
por E: 13,75 - pérdida de carga : 10,65 o bien pérdida de carga : 3,10 m, de E a R.
24.
Considerar que a través del venturímetro del Problema 22 fluye aire a 27" C y que la presión manométrica en ,4 es igual a 2,65 kglcmz . La lectura del manómetro es de 35,8 cm de agua. Suponiendo que el peso específico del aire no varía enfre A y,B y que la pérdida de energía es despreciable,
determinar el caudal en peso, kg/seg, de aire que está circulando.
Solución:
Aplicando la ecuación de la energía e¡tre A y.B, tomando como plano de referencia el que pasa por
l,
como
fa - 4t : E+ + 0.75.
Para obtener la altura o. o..ln oí orro" o#circula es necesario calcular el peso específico del aire.
en el Problem
a
22, se obtiene
e9'-I.t'o?19- :
3-:
RT 29,3(27 + 273) 4,20 kstm3
(1)
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
86
pt-: pn
En el manómetro diferencial.
o
bien
I
@t
--
359,6
:
*
6
(en kg/m2. manométrica)
+ z) + 1000(0,358)
kg/m2. Sustituyendo en (/), se obtiene Vs : 42,2 mlseg y
W : wQ : a,20lin(0,r5)2 x 42,2): 3,r2 kslses de aire
pt^
- p)
t
[cAP.
4,20(z
+
0,358)
pn
4,20(0,75
x
l0-2 m2 a2,0 x 10-2 m2.
reduce su sección recta de 7,0
presión
que
tiene lugar si están fluSuponiendo que no existen pérdidas, ¿cuál es la variación de
y
para
presión
implicadas.)
temperatura
la
kg/mt
yendo 0,70 kg/seg de aire? (Utilizar w:3,200
25. Un conducto por el que circula aire
Solución:
0.70 ke/sr
o: #:
0,218 m3/seg,
Al apliiar la ecuación
1L
'w
y
v,: ft: # :3,r2 mlsel, vz: i:W:
de Bernoulli entre las secciones
(19.e)'
+ 0) - o : (-2*
* Q,lz)'
'tt)
29 * o)
29
pl - p2':6,60 x 3,200)lfia: 1,8 x
justifica
en la presión
o
10,e m/ses.
I y 2 se obtiene
bien 14w - 4¡:
w
5,60 m de aire
l0-3 kglcm2, como variación de presión. Esta pequeña variación
la hipótesis de densidad constante del fluido.
26. Una tubería de 15 cm de diámetro y 180 m de longitud transporta agua desde A, a wa elevación
de 24,0 m, hasta B, a una elevación de 36,0 m. La tensión debida a la fricción entre el líquido y las
paredes de la tubería es igual a 3,05 kglmt. Determinar la variación de presión en la tubería y la
pérdida de carga.
Solución:
(a\ Las fuerzas que actúan sobre la masa de agua son las mismas que aparecen en la Figura (ó) del Problema 20.
: 0,
ptAts - pzAts - Il' sen 0, - r(nd)L : 0
Ahorabien, W:w(yoltmen):1000ftn(0,15)'zx l80l y sen0,:(36,0
Mediante P1
:
p1A15, Pz
:
pzAts se obtiene, aplicando EF'
-24,0)1180. Portanto,
pLlltP,ls)'f-p2lln(0,15)'z1 -1000[tr(0,15)'zx180]xl2l180-3,05(2x0,15x180)
de donde Pt - Pz:26.640 k9lm' -- 2,664 kglcm2.
(b\
:0
Mediante la ecuación de la energía, tomando como plano de referencia el horizontal que pasa por ,4,
energía
et A -
P
'w + 3+
2g
o pérdida de carga : (ptlw
-
o)
p"lw)
-
pérdida de carga
:
pérdida de carga
: tUw + !2g
- 12: 26.64011000 -
energía en
12
:
I
+ nt
14,64 m.
Otro método:
Mediante la (3) del Problema 20, pérdida de carga
27.
:
#:
#:Hj
-
14,64 m.
El agua, a32" C, contenida en un pozo debe ser extraída a una velocidad de 2,0 mfseg a través de
la tubería de succión de una bomba. Calcular la altura teórica máxima a que Puede colocarse la
bomba bajo las siguientes condiciones: presión atmosférica : 1,00 kglcm2 (ab), presión de vapor :
0,05 kg/cm2 (ab) [véase Tabla 1(C)] y pérdida de carga en la tubería de succión = 3 veces la al-
tura de velocidad.
cAP. 6l
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
87
Solución:
El peso específico del agua a 32" C es, según la Tabla 1(C), 995 kglm3. La presión mínima a la entrada
de la bomba no puede exceder a la presión del vapor del liquido. Se aplica ahora la ecuación de la energía
entre la superficie libre del agua fuera de la tubería de succión y la sección de entrada en la bomba, utilizando
alturas de presión absolutas.
Energía en
la superficie del agua - pérdida de carga - energía en la entrada de la
(1.00 x 104 +0+0) 995
de donde z
:
8,74
bomba
x 104 Q,q2
:l ,0,05
' 995 +-+zl
29
3Q,0)'z
)o
m sobre la superficie libre del agua.
En estas condiciones es probable que tengan lugar serios deterioros debidos a la cavitación. Véase Capí-
tulo
12.
28. En el sistema mostrado
en la Fig. 6-12 la
bomba .BC debe producir un caudal de
160 l/seg de aceite, Dr : 0,162, hacia el
recipiente D. Suponiendo que la pérdida de
energía entre A y B es de 2,50 kgm/kg y
entre C y D es de 6,50 kgm/kg, (a) ¿qué potencia en CV debe suministrar la bomba a
la corriente? (á) Dibujar la línea de alturas
Er
15
n.
El
totales.
Solución:
La velocidad de las partículas en y D es tan
pequeña que pueden despreciarse las alturas
de velocidad.
La ecuación de la energia enÍe A y D,
I
12.5 m
I
(a)
Fig.6-12
con plano dc referencia el que pasa por BC
(también podría tomarse el que pasa por l),
(oi, fr(0+
y l/¡.-¡" :
54,0
desprec.
z^) t
+ 12)+
Hbo-b"
flbo-b"
-
-
Hp,,a
(2,50
+
= ('l, t #'
6,50)
-
(0
+
r')
desprec.
+
57)
m (o kgm/kg).
Potencia (CV)
:
**QHb"-b,175: (0,162
x
1000)(0,16)(54)115:88 CV suministrada al sistema.
la bomba ha de suministrar una carga suficiente para subir el líquido 45,0 m y vencer
las cargas debidas a las pérdidas en las tuberías. Por tanto, comunica al sistema una carga de 54,0 m.
Obsérvese que
(ó)
La línea de alturas totales en A tiene una elevación de 15,0 m sobre el plano de referencia de cota cero.
De A a B la pérdida de energía es de 2,5 m y la línea de alturas totales caerá esta misma altura, lo que da
en .B una elevación de 12,5 m. La bomba comunica una energía por unidad de peso de 54,0 m y la elevación en C será de 66,5 m. Finalmente, la pérdida de energía entre C y D es de 6,5 m y la elevación
en D : 66,5 - 6,5 : 60,0 m. Estos resultados se reflejan en la Figura 6-12.
29. A través de la turbina de la Fig.6-13 circulan 0,22m3fseg de agua
y las presiones en I y .B son iguales, respectivamente, a 1,50 kglcm2
y -0,35 kglcmz. Determinar la potencia en CV comunicada por la
corriente de agua a
la
bomba.
Solución:
Mediante la ecuación de la energía entre A y
V3s
:
0,221A3o
:
3,12
I
(plano de referencia por ,B), con
y Veo: 3,1214:
0,78 m/seg,
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
88
,+
-+
* rnl +o -
Hru,ui,"
[cAP.
: r# *'*
*
r",
0.35 104 oÍt'
,1,5 x 10a , 3,122
(-ffi*
* 29
+1.00) -Hr: (-rooo
k
,<
Potencia (CV)
30.
:
wQHrlTS:
1000(0,22X20'0)175
:
6
* o¡ y Hr:20,0 m.
59,0 CV comunicados a la turbina'
En la turbina del Problema 29, si la potencia extraída de la corriente es de 68,0 CV y las presio-
Ay B son 1,45 kglcm2
de agua que está fluyendo?
nes manométricas en
y
-0,34kgfcm2, respectivamente, ¿cuál es el caudal
Solución:
Aplicando la ecuación de la energía entre
,!%;g
(a)
(b)
o:,t'tni;oto"
68.0
cv
.B (plano de referencia el que pasa por
*2 * t,o) - Hr: ,-o'11# '0. *fr * ot
+ r,o+
I
v3o
16
2s
fi00 x in(0'19)2vn x
Hr
vzo
o
: ry -
+-+,
29 '2' 29
AtoVn: AeoVao
(c)
Ay
,t ,n v3o
+
0,048 Vio
:
v
" ', :X
Mediante las ecuaciones (a)y (c) (sustituyendo la altura de velocidad), 72,21V3o: 18,9
18,9 V3o
.B),
+ (l5ll6)(V!ol2g) o bien
72,2
Resolviendo esta ecuación por tanteos:
l: V3o: 3,5 m/seg, 66,2 + 2,10 *
2: V3o: 4,0 m/seg, 75,6 + 3,07 |
3: V3o -- 3,7 mlseg, 70,0 + 2,43 :
El caudal Q : AtoVto: |r(0,3)'z x 3,7 :0,262 mrlseg.
Tanteo
Tanteo
Tanteo
31.
72,2 (debe aumentarse Z)
72,2 (solttción entre ambas)
72,2 (solución)
IJn aceite, de densidad relativa 0,761, está
fluyendo desde el depósito I al E, según
se muestra en la Fig. 6-14. Las distintas
pérdidas de carga puede suponerse vienen
dadas como sigue:
de
A
tt2
aB:0,60:3o
'¿gzg
t¡2
deBaC: g,o+e
¿g
de C a D
v2 :0,40+:
v?
de
DaE: 9,0+:
zg
-
Determinar (a) el caudal Q en m3/seg,
(ó) la presión en C en kglcm2 Y
(c) la potencia en C, en CV, tomando como plano de referencia el que pasa por E.
Fig.
6-14
Solución:
(a) Aplicando la ecuación
et A
(0
+
despr.
+
de la energía entre
40.0)
A y E,
deAaB deBaC
plano de referencia el que pasa por E,
deCaD deDaE
- [ro,eo 329* n,o?,
29+ ep+ü:
2g 29' * 0,40+
en E
(0 + despr.
+
0)
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
cAP. 6l
o bien
+ 9,avípg). Además, V3o: (i)ov',., : #V?.r.
1,2 m, Vrr: 4,85 m/seg y Q : ln(0,15)2 x 4,85 :
12,0 :9,6(V3ol2s)
Sustituyendo
:
0,086 m3/seg
V?rl2e
(b)
89
Aplicando la ecuación de la energía entre
despe¡ando,
A,
y +::+:.!.,t,r,:0.075
' 29 t4+p+o,oor
- (0.60+ s.It+:
29 1629 16 "
w 29
{0*despr.+0)
Portanto,prfw
A y C, plano de referencia el que pasa por
y
:
-1,395 m de aceite (man)y
pi:
QJ61
x
1000)(- 1,395)1104
:
m
-0,106 kg/cm2 (man).
Los mismos resultados podrían haberse obtenido también aplicando la ecuación de Bernoulli entre
C y E. Las dos ecuaciones obtenidas por los dos caminos /¡¿ constituirían, naturalmente, un sistema de ecua-
ciones independientes.
(c)
C:
Potencia en
uQHc _(0,761
x
1000X0,086X-1,395
0,075
+
12,6)
:
75
75
cia el que pasa por
+
9,85 CV, plano de referen-
E.
32. La carga extraída por la turbina
CR de la Fig. 6-15 es de 60 m y la presión en 7 es de 5,10 kglcmz.
Para unas pérdidas entre W y R de 2,0(Vfol2g) y de 3,0(V3ol2g) entre C y Z, determinat (a) el caudal de agua que circula y (b) la altura de presión en R. Dibujar la línea de alturas totales.
El 45m
Fig.
6-15
Solución:
Como la elevación de la línea de alturas totales en 7es igual a (75 +
x loa V<"
looo * É'
5.10
muY Por enctma
de la elevación en W, el agua circulará hacia el recipiette W.
(a) Aplicando
la ecuación de la energía entre
enT
I y W, tomando como plano de referencia
enW
deTaC deRaW Hr
el de cota cero,
60: (0 + despr. + 45)
- ?29*r.o?l_
1000 *329* 75) - [3.0
2s'
VZo : iVSo y operando, Vtol2T :9,88 m, de donde Vto : 13,9 m/seg. Por tanto,
Q : in(0,3)2 x 13,9 : 0,98 m3/seg
(t't9:lo'
Sustituyendo
(b) Aplicando la ecuación de la energía entre R y W, con plano de referencia el que pasa por R,
@^lw+frx9,88+0) -2(1fx9,88):(0+despr.*15)yp^lw:15,62m.Ellectorpuedecomprobar esta altura de presión aplicando la ecuación de Bernoulli entre T y
Para dibujar la línea de alturas totales se calcula la altura total en
Altura total en I: 51,0 + 9,9 + 75,0 : 135,9
en C: 135.9 - 3 x 9.9 : 106.2
en R:106.2-60.0
en W :
46,2
- 2x 1f x 9,9 :
R.
las secciones indicadas.
m
m
46,2 m
45,0 m
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
90
[cAP.
6
En los siguientes capítulos se demostrará que la línea de alturas totales es una línea recta en el caso de
flujo permanente en una tubería de diámetro constante. La línea de alturas piezométricas será paralela a
la línea de alturas totales y situada por debajo de ella a una distancia igtal a V2l2g, altura de velocidad (en
la figura dibujada a
trazos).
33. (a)
¿Cuál es la presión en la ojiva de un torpedo que se mueve en agua salada a 30 m/seg y a una
profundidad de 9,0 m? (ó) Si la presión en un punto lateral C del torpedo, y a la misma profundidad
que la ojiva, es de 0,70 kglcm2 (man), ¿cuál es la velocidad relativa en ese punto?
Solución:
(a) En este caso se obtiene una mayor
claridad, en la aplicación de la ecuación de Bernoulli, al considerar el
torpedo en reposo y sumergido en una corriente de agua a la misma velocidad relativa que en el caso real.
La velocidad en la punta anterior del torpedo será ahora cero. Suponiendo que no hay pérdida de carga
en un tubo de corriente que vaya desde un punto l, delante del torpedo y a suficiente distancia para que
el flujo no esté perturbado, y un punto B, situado en la punta de la ojiva del torpedo, la ecuación de Bernoulli toma la forma
,+.X Í,) - o :
{,,ry
+fi +,"t
o
bien
es+!y+o) : (4+o+o)
: 55 m de agua de mar, y pu : nhllja : 1025(55)/104 : 5,65 kg/cm2 (man).
Esta presión se llama presión de estancamiento (también presión de parada o de remanso) y puede
expresarse en la forma ps: po + ipV'o, en kg/m2. Para un estudio más detallado, véase Capítulos 9 y 11.
Por tanto, pnlw
(b)
Se puede
aplicarla ecuación de Bernoulli entre los puntos
,P¿. vi
(;*
Pe
2c-z¿)- O:(;+
de la cual Vc
34.
:
v?
r'-
+zc\
obien
I y Co
bienentre.By C. Escogiend,o
o,o+ff+o):,T;g
Ay
C,
+fi+ot
30,7 mlseg.
Una esfera está colocada en una corriente de aire, donde reina la presión atmosférica, y que se mueve
a una velocidad de 30,0 m/seg. Suponiendo que no hay variación en la densidad del aire y que ésta
es igual a 0,125 UTM/m3, (a) calcular la presión de estancamiento y (ó) calcular la presión sobre
un punto de la superficie de la esfera, punto,B, a75'del punto de estancamiento, si la velocidad
en dicho punto es de 66,0 m/seg.
Solución:
(a) Aplicando la fórmula dada en el problema anterior se obtiene
Ps: Po + ipv'o: 1,033(104) + +(0,125x30,0)'z : 10.330 + 56,25:
específico del aire : pC :0,125(9,8) : 1,225 kglm3.
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre el punto de estancamiento
10.386 kg/m'?
(b) Peso
t'2
^
("t
+3+0)w¿gw¿g
y el B, se obtiene
r!i86
+ o + o) : (" +(ó6'o)'z
1.225
La 29
de donde pnlw :8238 m de aire, y ph: whll\a : 1,225(8238)lr0a : 1,010 kglcm2.
D. Vl
0: ("! +;9+0l
o
bien
+
o)
35. Un gran depósito
cerrado está lleno de amoniaco a una presión manométrica de 0,37 kglcm2 y
a una temperatura de 18' C. El amoniaco descarga en la atmósfera a través de un pequeño orificio
practicado en uno de los lados del depósito. Despreciando las pérdidas por fricción, calcular la
velocidad con que el amoniaco abandona el depósito (a) suponiendo su densidad constante y (á) suponiendo que el flujo tiene lugar en condiciones adiabáticas.
91
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
cAP. 6l
Solución:
(a)
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre el depósito
o'17 x lOa
V2
(%-f:-+0+0):(0+*+o)
donde
y la
atmósfera,
*,:ouDt
(0,37
+
1,030)104
--0,97 kslm3
Sustituyendo y despejando, V:273 mlse5.
Para un peso específico ¿o constante puede utilizarse indistintamente la presión manométrica o la absoluta. Sin embargo, cuando ru no es constante debe emplearse la carga de presión absoluta.
(b)
Para
Vr:0 y zt:
zz, la ecuación (D), para procesos adiabáticos, del Problema 20 puede escribirse
¡ k ¡pt l-, _ \pr.,
¡p,1,*-,,,"1 =
\I=/1¿,
)
L'
de la Tabla 1 del Apéndice, k : 1,32 y
Para el amoniaco,
1,32
1,40
ó " fftt
x
10a
..
1,03
- tffi
x 10a
to'242f
V;
zg
:, v? : +ttz,
de
donde
Vz
:
Al utilizar la hipótesis de densidad oonstante, el error en la velocidad es del 4,2 f,
El peso específico del amoniaco en el chorro se calcula mediante la expresión
Pt
pz
A
:
r*
u)2'
rwt
285 mlses
aproxímadamente'
:
y wz: o,774 kglm3
ry
1.03 10,97;,,r,
w2 '
.
pesar de esta variación de un 20,3
36. Comparar las velocidades en los casos
\
(a)
en la densidad, el error en la velocidad fue solo de un
y
4'2\.
(ó) del Problema 35 para una presión en el depósito
de 1,08 kglcm2 (man).
Solución:
lat
u,t
: Pt 21
-RT: qg.o=-,
zgt
:
kg/m' y. a partir del problema anterior'
1,460
x !04 v^2 y
r,46 - 29
l'08
(b)
v:
380 m/seg
Mediante la expresión dada en el problema anterior para procesos adiabáticos,
loa
v2 132x 2,ll x 10a .. ,1,0?
'" "- -"')o'242-l
"
r :9410.'
L-t
'2.11 x loa'
1,46
29 0,32
de
donde V-430mlseg
El error cometido, al suponer la densidad constante, en la velocidad es del 11,6/.aptonmadamente.
es del
La variación de densidad
-ll
41
/o
aproximadamente.
Las limitaciones impuestas en el módulo de la velocidad se discutirán en el Capítulo 11. Se verá que
la velocidad límite, para la temperatura considerada, es de 430 m/seg.
está fluyendo desde una tubería de 5,0 cm, donde la temperatura es
de 4,5o C y la presión 2,8Okg!cm', a una tubería de2,5 cm en la que la presión es 1,50 kglcmz'
Las presiones son manométricas. Calcular la velocidad en cada una de las tuberías, suponiendo
que no hay pérdidas y aplicando el proceso isotérmico.
37. IJna corriente de nitrógeno
Solución:
Aplicando la ecuación (C) del Problema 20 para condiciones isotérmicas y despejando Zr, teniendo en cuen-
ta
qrJe 21
--
22'
92
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
o v,
Xl,-(f#)'f =#^f#> = nrn(ft)
Sustituyendo valores,
y teniendo en cuenta que R
:
[cAP.
RT ln (pt/p,)
I - (Azpz/Atp)2
=
30,3 para el nitrógeno, Tabla 1 del Apéndice,
Vz:
Además, V¡
38.
:
:265
(A2lA)(prlpr)Vz:
6
G)2Q,5313,83X265)
:
mfteg
43,8 m/seg.
En el Problema 3'7, siendo la presión, velocidad y temperatura, respectivamente, en la tubería
de 5,0 cm, 2,67 kglcmz (man), 43 m/seg y 0o C, calcular la presión y la velocidad en la tubería de
2,5 cm. Se supone que no hay pérdidas y que las condiciones son isotérmicas.
Solución:
Utilizando la ecuación (C\, para condiciones isotérmicas del Problema 20, poniéndola en función de I/,
en lugar de Vr,
lat
@3f
E''
..
4 .,3.70 x l0a)r.l
¡u'¡ x
- \l't ,', x toa r-l::30.3
"
2.,3
tn
pL
x l}a.
3,70
r, lo*
Aunque solo aparece una incógnita, la solución directa es difícil. Se utiliza el método de aproximaciones
sucesivas, dando un valor a pi, qve figura en el denominador de la fracción entre corchetes.
(1) Se supone p', : 3,70 kglcm2 (ab) y se despeja pi del segundo miembro de la ecuación.
e4,4U
-
16(1Fl
:
8272
tn (pi13,70)
de donde P, : 3,11 kg/cm'z (ab).
(2) Al utilizar el valor pL : 3,ll kglcm2 en (a) resultaría una nueva desigualdad.
tado, se supone el valor pz : 2,45 kg/cm3, y se procede como anteriormente.
e4,4lr
de donde p2
la
:
-
r6(3,7012,4s)21: 8272
tt
Anticipando el resul-
(p\13,70)
2,44 kglcm2 (ab), que puede considerarse como solución operando con regla de cálculo. Para
velocidad,
v"'
:
*'A'v.
wzAz
v,: errf,iv, :'#:#<lr " ot :26t mtses
Problemas propuestos
39.
¿Cuál es la velocidad media en una tubería de 15 cm, si el caudal de agua transportado es de 3800 ml¡dia?
Sol. 2,48 mlseg
40.
¿Qué diámetro debe de tener una tubería para transportar 2 m3fseg a una velocidad media de 3 m/seg?
So/. 92 cm
41.
Una tubería de 30 cm de diámetro, que transporta 110 l/seg, está conectada a una tubería de 15 cm. Determinar
la altura de velocidad en la tubería de 15 cm.
Sol. 1.97 m
42.
Una tubería de 15 cm de diámetro transporta 80 l/seg. La tubería se ramifica en otras dos, una de 5 cm y la
otra de 10 cm de diámetro. Si la velocidad en la tubería de 5 cm es de 12 m/seg, ¿cuál es la velocidad en la
tubería de 10 cm?
43.
So/.
7,20 mlseg
Determinar si las expresiones siguientes de las componentes de la velocidad satisfacen las condiciones de flujo
permanente e incompresible
(a) u:3xy' * 2x + y2
u:x2-2y-y,
Sol. (a) Sí (b) No
(b) u:2x2 +
u
: -3xy
3y2
U.
:
Una tubería de 30 cm de diámetro transporta áceite, viniendo dada la distribución de velocidades por u
cinética'
la
energía
de
30(rfr - 12). Determinar la velocidad media y el valor del coeficiente de corrección
Sol. u: 2,00,
V^u
:
34 cm/seg
45. Demostrar que la ecuación de continuidad
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
93
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
cAP. 6l
puede escribirse en la forma
1
=
i l^(*)^
Una tubería de 30 cm de diámetro transporta 110 l/seg de un aceite de densidad relativa 0,812 y la presión manométrica en I es de 0,20 kglcm2. Si el punto,4 está situado 1,80 m por encima del plano de referencia, calcular
So/. 4,27 kgmlkg
la energía en A en kgm/kg.
tubería de 15 cm de diámetro si la presión mano¿Cuántos kg/seg de anhídrido carbónico fluyen a través de una
ile,.i"" .r ¿1 tiS kglcm2,la temperatura de 27" C y la velocidad media de 2,50 m/seg? Sol' 0,213 kgiseg
Una tubería de 20 cm de diámetro transporta aire a24 m/seg, 1,51 kglcm2 de presión absoluta y 27" C. ¿Cuál
y la presión y
es el caudal de aire en peso que fluye? La tubería de 20 cm se reduce a 10 cm de diámetro
en la tubevelocidad
la
Determinar
(ab)
y
respectivamente.
11'
C,
1,33
kglcm2
son
última
en
esta
temperatura
ría de 10 cm y los caudales en m3/seg en ambas tuberías'
Sot. 1,29 kglseg, 103 m/seg, 0,75 m3/seg, 0,81 m3/seg
A través de una tubería de 10 cm está fluyendo aire a una velocidad de 5,00
m/seg. La presión manométrica medida es de 2,00 kglcm2 y la temperatura 15" C. En otro punto, aguas abajo, la presión manométrica es 1,40 kg/cm2
y la ternperaturi2i" C. Para una lectura barométrica correspondiente a la presión atmosférica normal calcular
la velocidad en el punto aguas abajo y los caudales en volumen en ambas secciones'
Sol. 6,54 mlseg, 39,3 l/seg, 51,4 llseg
Anhídrido sulfuroso fluye a través de una tubería de 30 cm de diámetro, que se reduce a l0 cm de diámetro al
desaguar en el interior de una chimenea. Las presiones en la tubería y en el chorro que desagua son, respectlvay
ment-e, 1,40 kglcm2 (ab) y la presión atmosférica (1,033 kg/cm'?). La velocidad en la tubería es de 15,0 m/seg
la temperaturá 27" C. Deterrninar la velocidad en la corriente de desagüe si la temperatura del gas es allí de - 5' C'
So/. 72,5 mlseg
A través de una tubería de 15 cm de diámetro fluye agua a una presión
de 4,20kglcm2. Suponiendo que no
la presión es de 1,40 kglcm2?
diámetro
de
de
7,5
cm
reducción
una
hay pérdidas, ¿cuál es el caudal si en
So/. Q: 107 llseg
Sol. 123 llseg
Si en el Problema 51 fluye un aceite de densidad relativa 0,752, calcúar el caudal.
53. Si lo
que fluye en el Problema 51 es tetracloruro de carbono (densidad relativa 1,594), determinar Q.
Sol. 85 l/seg
54.
55.
56.
través de una tubería vertical de 30 cm de diámetro fluyen hacia arriba 220 l/seg de agua. En el punto I de
la tubería la presión es 2,20 kglcrn2. En el punto B, 4,60 m por encima de A, el diámetro es de 60 cm y la
So/' l,6l kglcm2
pérdida de carga entre A y 3 es igual a 1,80 m. Determinar la presión en -B en kglcm2.
A
Una tubería de 30 cm de diámetro tiene un corto tramo en el que el diámetro se reduce gradualmente hasta 15 cm
y de nuevo aumenta a 30 cm. La sección de 15 cm está 60 cm por debajo de la sección ,4, situada en la tuberia
ie 30 cm, donde la presión es de 5,25 kglcmz. Si entre las dos secciones anteriores se conecta un manómetro diferencial de mercurio, ¿cuál es la lectura del manómetro cuando circula hacia abajo un caudal de agua de l20llseg?
Sol. 17,6 cm
Supóngase que no existen pérdidas.
Una tubería de 30 cm de diámetro transporta aceite de densidad relativa 0,811 a una velocidad de 24 m/seg. En
y
los puntos A y B las medidas de la presión y elevación fueron, respectivamente, 3,70 kglcm2 y 2,96 kglcm2
m
6'12
y
Sol.
B.
A
entre
30 m y 33 m. Para un flujo permanente, determinar la pérdida de carga
57.
Un chorro de agua, de 7,5 crn de diámetro, descarga en la atmósfera a una velocidad de 24 mlseg. Calcular la
58.
Un recipiente suministra agua a través de una tubería horizontal de
potencia, en cabiallos de vapor del chorro, utilizando como plano de referencia el horizontal que pasa por el eje
Sol. 41,6 CV
del chorro.
15 cm de diámetro y 300 m de longitud. El
flujo esá tubería llena y deiagua en la atmósfera un caudal de 65 l/seg. ¿Cuál es la presión en la mitad de la longitud de la tubería al suponer que la única pérdida de carga es de 6,20 m cada 100 m de tubería?
Sol. 0,93
59.
kg/cm2
Un aceite de densidad relativa 0,750 es bombeado desde un depósito por encima de una colina a través de una
tubería de 60 cm de diámetro, manteniendo una presión en el punto más elevado de la línea de 1,80 kglcm2. La
94
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
[cAP.
6
parte superior de la tubería está 75 m sobre la superficie libre del depósito y el caudal de aceite bombeado es
de 620 l/seg. Si la pérdida de carga desde el depósito hasta la cima es de4,70 m, ¿qué potencia debe suministrar
la bomba al
ó0.
61.
62.
líquido?
Sol. 645 CV
Una bomba aspira agua de un pozo mediante una tubería vertical de 15 cm. La bomba desagua a través de una
tubería horizontal de 10 cm de diámetro, situada 3,20m sobre el nivel del agua del pozo. Cuando se bombean
35 l/seg, las lecturas de los manómetros colocados a la entrada y a la salida de la bomba son
-0,32 kglcm2 y
*1,80 kg/cm2, respectivamente. El manómetro de descarga está situado 1,0 m por encima del manómetro de
succión. Calcular la potencia de salida de la bomba y la pérdida de carga en la tubería de succión de 15 cm.
Sol. 10,4 CV, 0,80 m
Calcular la pérdida de carga en una tubería de 15 cm de diámetro si es necesario mantener una presión de2,35
kglcm2 en un punto aguas arriba y situado 1,80 m por debajo de la sección de la tubería por la que desagua en
la atmósfera 55 l/seg de agua.
Sol. 21j0 m
Un depósito cerrado de grandes dimensiones está parcialmente lleno de agua, y el espacio superior con aire
a
presión. Una manguera de 5 cm de diámetro, conectada al depósito, desagua sobre la azotea de un edificio, 15 m
por encima de la superficie libre del agua del depósito. Las pérdidas por fricción son de 5,50 m.
¿eué presión de
aire debe mantenerse en el depósito para desaguar sobre la azotea un caudal de 12llseg?
Sol. 2)4kglcrrt2
63.
Mediante una bomba se bombea agua desde un recipiente A, a una elevación de 225 m, hasta otro depósito E,
a una elevación de 240 m, a través de una tubería de 30 cm de diámetro. La presión en la tubería de 30 cm en
el punto D, a una elevación de 195 m, es de 5,60 kflcm2. Las pérdidas de carga son: de A ala entrada de la
bomba,B:0,60 m, de la salida de la bomba C hasta D:38V212s y desde D a E:40V212g. Determinar el
catdal Q y la potencia en cv suministrada por la bomba BC.
so/. 166 l/seg, g3 cv
u.
Un venturímetro horizontal tiene diámetros de 60 y 45 cm en la entrada y Earganta, respectivamente. La lectura
de un manómetro diferencial de agua es de l0 cm cuando está conectado entre la entrada y la garganta y fluye
aire a través del aparato. Considerando constante e igual a 1,28 kg/m3 el peso específico del aire y despreciando
la fricción, determinar el caudal en m3/seg. So/. 6,66 m3/seg
65.
Desde un depósito hay que transvasar un caudal de agua de 89 l/seg mediante un sifón. El extremo por el que
desagua el sifón ha de estar 4,20 m por debajo de la superficie libre del agua en el depósito. Los términos de pérdida de carga son: l,50V2l2g desde el depósito hasta la parte más elevada del sifón y l,00V2l2g desde ésta al
desagüe. La parte superior del sifón está 1,50 m por encima de la superficie del agua. Determinar el diámetro
de la tubería necesaria y la presión en la parte superior del sifón.
Sol. 15,3 cm,
kglcm2
-0,45
66.
Una tubería horizontal de 60 cm de diámetro transporta 4,y';0llseg de un aceite de densidad relativa 0,825. Las cuatro bombas instaladas a lo largo de la línea son iguales, es decir, las presiones a la entrada y a la salida son,
respectivamente, -0,56 kglcm2 y 24,50kglcm2. Si la pérdida de carga, en las condiciones en que desagua, es de
6,00 m cada 1000 m de tubería, ¿con qué separación deben colocarse las bombas? S;t. 50.600 m
67.
Un depósito de grandes dimensiones está lleno de aire a una presión manométrica de 0,40 kg/cm2 y una temperatura de 18' C. El aire se descarga en la atmósfera (1,030 kg/cm2) a través de un pequeño orificio abierto en uno
de los lados del depósito. Despreciando las pérdidas por fricción, calcular la velocidad de salida del aire al suponer (a) densidad constante del aire, (ó) condiciones de fluio adiabático.
Sol. 216 m/seg, 229 mlseg
68.
En el Problema 67, cuando la presión sea de 0,70 kg/crn2 (man), ¿cuáles serán las velocidades en los casos (a) y (b)?
260 mlseg, 286 m/seg
Sol.
69.
Desde una tubería de 30 mm, donde la presión manométrica es de 4,20 kglcm2 y la temperatura de 4o C, está
fluyendo anhídrido carbónico en el interior de una tuberia de 15 mm un caudal en peso ¿e O,O+O kg/seg. Despreciando el rozamiento y suponiendo el flujo isotérmico, determinar la presión en la tubería de 15 mm.
So/. 900 kg/m2 (absoluta)
70. Un soplador de aire ha de proporcionar 1140 m37min. Dos manómetros de tubo en U miden las presiones de
succión y de descarga. La lectura del manómetro de succión es negativa de 5 cm de agua. El manómetro de descarga, colocado 1,0 m por encima del orificio manométrico de succión, da una lectura de * 7,5 cm de agua. Los
conductos de descarga y de succión son del mismo diámetro. ¿Qué potencia debe de tener el motor que mueva
el soplador si el rendimiento global es del 68 % (* : 1,20 kglm3 para el aire)?
so/. 4g,l cv
7t.
Se está ensayando una tubería de 30 cm para evaluar las pérdidas de carga. Cuando el caudal de agua es de
180 l/seg, la presión en el punto A dela tubería es de 2,80 kglcm2. Entre el punto
y el punto.B, aguas abajo
y 3,0 m más elevado que se conecta un manómetro diferencial. La lectura manométrica es de 1,0 m, siendo
I
l,
el líquido mercurio e indicándo mayor presión e¡ A. ¿Cuál
Sol.
72.
12,57 m
es
la pérdida de carga
entre
Ay
B?
Prandtl ha sugerido que la distribución de velocidades, para flujo turbulento en conductos, viene representada
95
FUNDAMENTOS DEL FLUJO DE FLUIDOS
cAP. 6l
muy aproximadamente por la expresión u : u**(ylr)t/' , donde ro es el radio de la tubería e y la distancia medida a partir de la pared. Determinar la expresión de la velocidad media en función de la velocidad en el eje u-"*.
Sol.
73.
V :0,817tt**
72?
¿Cuál es el coeficiente de corrección de la energía cinética para la distribución de velocidades del Problema
Sol. ¿ : 1,06
planas de grandes dimensiones están separadas 1,0 cm. Demostrar 9ue d : 1,43 si la distribución
de velocidades viene representada por u : u-"*(1 - 620012), donde r se mide desde el plano medio entre las
74. Dos placas
placas.
75.
A través de un conducto de sección variable está fluyendo aire isoentrópicamente. Para un flujo
demostrar que la velocidad V, en una sección aguas abajo de la sección I puede escribirse
vz : VJpJp)ttu(AtlAt) para un conducto de forma cualquiera' y
V, -- Vt(pJp)'tr(DrlDr)' para conductos circulares
permanente,
76. Con referencia a la Fig. 6-16, la presión absoluta en el interior de la tubería en .S no debe ser inferior a 0,24
kglcm2. Despreciando las pérdidas, ¿hasta qué altura sobre la superficie llbre A del agua puede elevarse S?
Sol. 6.73 m
77.
comunica una altura de 42,20 m al agua que fluye hacia E, como se muestra en la Fig. 6-17. Si
la presión en C es de -0,15 kglcm2 y la pérdida de óarga entre D y -E es 8,0V212g), ¿óuál es el caudal?
So/. 275 llseg
La bomba
.B
=
El
Fig.
78.
6-16
El
60,0 m
24,0 m
Fis.
Fig. 6-U
6-1E
El agua fluye radialmente entre dos bridas situadas en el extremo de una tubería de 15 cm de diámetro, como se
muestra en la Fig. 6-18. Despreciando las pérdidas, si la altura de presión en I es -0,30 m, determinar la altura
So/. -0,048 m, 105,5 l/seg
de presión en .B y el caudal en l/seg.
79. Demostrar que la velocidad media Z en una tubería circular de radio ro es igual a2u^^*l
^**
L(K+
una distribución de velocidades que venga expresada por u : u-",(l - ,¡rJi.
t0. Encontrar el coeficiente de corrección de la energía cinética d pafa el Problema
(K+ 1)3 (K+2)3
c^r a
out
- +$K+t)(sK+z)
79.
lxrr+^ 2)l'lr"t"
Capitulo
7
Flujo de fluidos en tuberías
INTRODUCCION
Se va a aplicar el principio de la energía a la solución de problemas prácticos de flujos en tuberías,
que frecueptemente se presentan en las diversas ramas de la ingeniería. El flujo de un fluido real es mucho
más complejo que el de un fluido ideal. Debido a la viscosidad de los fluidos reales, en su movimiento
aparecen fuerzas cortantes entre las partículas fluidas y las paredes del contorno y entre las diferentes
capas de fluido. Las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales que resolverían de forma general
el problema del flujo (ecuaciones de Euler) no admiten, por lo común, una solución. Como consecuencia, los problemas de flujos reales se resuelven aprovechando datos experimentales y utilizando métodos semiempíricos.
Existen dos tipos de flujos permanentes en el caso de fluidos reales, que es necesario considerar
y entender. Estós se llaman flujo laminar y flujo turbulento. Ambos tipos de flujos vienen gobernados
por leyes distintas.
FLUJO LAMINAR
En el flujo laminar las partículas fluidas se mueven según trayectorias paralelas, formando el conjunto de ellas capas o láminas. Los módulos de las velocidades de capas adyacentes no tienen el mismo
valor. El flujo laminar está gobernado por la ley que relaciona la tensión cortante con la velocidad de
deformación angular, es decir, la tensión cortante es igual al producto de la viscosidad del fluido por el
gradiente de las velocidades o bien x: ¡tduldy (véase Capítulo 1). La viscosidad del fluido es la magnitud física predominante y su acción amortigua cualquier tendencia a la turbulencia.
VELOCIDAD CRITICA
La velocidad crítica de interés práctico para el ingeniero es aquella velocidad por debajo de la cual
toda turbulencia es amortiguada por la acción de la viscosidad del fluido. La experiencia demuestra
que un límite superior para el régimen laminar, en tuberías, viene fijado por un valor del número de
Reynolds alrededor de 2000, en la mayoría de los casos prácticos.
NUMERO DE REYNOLDS
El número de Reynolds, que es un grupo adimensional, viene dado por el cociente de las fuerzas
de inercia por las fuerzas debidas a la viscosidad (véase Capítulo 5 sobre semejanza dinámica).
Para tuberías circulares, en flujo a tubería llena,
Número de Reynolds
Ra :
VdP
^
u-=
Vd
vv
V(2r")
(1a)
donde Z : velocidad media en m/seg
d : rudio de la tubería en m, ro : radio de la tubería en m
v : viscosidad cinemática del fluido en m2lseg
p : densidad del fluido en UTM/m. o kg seg2 f rnn
I : viscosidad absoluta en kg seg/m2
En el caso de conductos de sección recta no circular se utiliza como longitud característica en el
número de Reynolds el radio hidráulico R, igual al cociente del área de la sección recta por el perímetro mojado, expresando el cociente en m. El número de Reynolds es ahora
Re =
v(4R)
(1b)
FLUJO TURBULENTO
En el flujo turbulento las partículas fluidas se mueven de forma desordenada en-todas las direcciones. Es imposible conocer la trayectoria de una partícula individualmente.
96
97
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
cAP. 7l
La tensión cortante en el flujo turbulento puede
expresarse así
r : (r,+r\*
\,
'/ A1l
donde 4
@ta): un factor que depende de la densidad
(2a)
del fluido y de las características del movimiento.
El primer término entre paréntesis (¡r) representa los efectos debidos a la viscosidad y el segundo (4)
tiene en cuenta los efectos debidos a la turbulencra.
Mediante los resultados obtenidos experimentalmente puede obtenerse la solución de las tensiones cortantes en el caso de fluios turbulentos. Prandtl ha suserido la forma
r : ,r(f),
(2b)
para expresar las tensiones cortantes en flujos turbulentos. Esta fórmula tiene el inconveniente de que
la longitud de mezcla / es función de y. Cuanto mayor es y, distancia a la pared de la tubería, mayor es
el valor de /. Posteriormente, Von Karman ha sugerido la fórmula
r:
(Qr\
"Q-L): 'u'#ffi
Aunque k no es una constante, este número adimensional se mantiene aproximadamente igual a 0,40.
La integración de esta expresión conduce a fórmulas del tipo de la (7b), que se da más adelante.
TENSION CORTANTE EN LA PARED DE UNA TUBERIA
La tensión cortante en la pared de una tubería, como se desarrollará en el Problema 5,
r,, :
.
donde
/
f
es
pV2/8 enkglm2
(3)
es el coeficiente de fricción, adimensional, que se describe más adelante.
Se demostrará en el Problema 4 que la tensión cortante varía linealmente a
recta y que
r--ry,
o
lo largo de la sección
r: r*1,
(.4)
El término .r/;J p se llama velocidad de corte o de fricción y se representa por el símbolo
partir
A
de la expresión (3 ) se obtiene
u :
u*.
(5)
\/Tfp
DISTRIBUCION DE VELOCIDADES
La distribución de velocidades en una sección recta seguirá una ley de variación parabólica en el
flujo laminar. La velocidad máxima tiene lugar en el eje de la tubería y es igual al doble de la velocidad
media. La ecuación que da el perfil de velocidades en el flujo laminar (véase Problema 6) puede expresarse como slsue
'l)
:
rr
-
gnr;) r'
(6)
En los flujos turbulentos resulta una distribución de velocidades más uniforme. A partir de los datos
experimentales de Nikuradse y otros investigadores, se dan a continuación las ecuaciones de los perfiles de velocidades en función de la velocidad en el eje de la tubería üc o en función de la velocidad de
corte
u-.
(a) Una fórmula
experimental
es
L) :
a"(ylro)"
donde n = +, para tuberías lisas, hasta Ru : 100.000
n : *, para tuberías lisas y R, de 100.000 a 400.000
(7a)
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
98
(b)
Para tuberías
7
/¡sas,
, Para tuberías /rsas (y 5000
(5,5 + 5,75logyu
7t
./,)
la parte (e) del Problema
Para el término yu.fv, véase
(c)
[cAP.
< RE <
(7b)
8
3.000.000) y para tuberías rugosas enlazona de exclusiva
influencia de la rugosidad,
(u,-u) = -2,ó\/uJt,lnA/r" = -2.|u.lny¡r"
(7")
En función de la velocidad media V,Yennard ha sugerido que Vfu" puede escribirse en la forma
f7
v
uc
(d)
Para tuberías rugosas,
z"
donde e es
(e)
=
(8)
7+4,07\fflí
¿',,(8,5
+5,75losu/,)
la rugosidad absoluta de la pared de la
Para contornos rugosos
o
tubería.
lisos,
a-V
iñ
También
(ea)
=
2logy/r',, +
a"lV =
1,32
(eb)
1,48rt+L
@c)
PERDIDA DE CARGA EN FLUJO LAMINAR
En el flujo laminar la pérdida de carga viene dada por la fórmula de Hagen-Poiseuille, que
ducirá en el Problema 6. Su expresión es
Pérdida de carga (m)
se de-
:
32 p.LV
u-s
(10a)
d2
En función de la viscosidad cinemática, como Ulw : vfg, se obtiene
Pérdida de carga
:
32'LV
(1ob)
gdt
FORMULA DE DARCY-WEISBACH
La fórmula de Darcy-Weisbach, desarrollada en el Problema 5 del Capítulo 5, es la fórmula básica para el cálculo de las pérdidas de carga en las tuberías y conductos. La ecuación es la siguiente:
Pérdida de carga (m)
:
coeficiente de fricción
LV2
= r. arn
f
,.
l**#*{H
x
altura de velocidad
fi
ml
GI)
Como ya se señaló en el Capítulo 6, la altura de velocidad exacta, en una sección recta, se obtiene
dividiendo el cuadrado de la velocidad media (QlA)'por 29 y multiplicando el resultado por un coeficiente a. En régimen turbulento en tuberías y conductos a puede considerarse igual a la unidad sin
apreciable error en el resultado.
CAP.
7]
99
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
COEFICIENTE DE FRICCION
El factor o coeficiente de fricción/puede deducirse matemáticamente en el caso de régimen laminar, mas en el caso de flujo turbulento no se dispone de relaciones matemáticas sencillas para obtener
la variación de / con el número de Reynolds. Todavía más, Nikuradse y otros investigadores han encontrado que sobre el valor de/también influye la rugosidad relativa de la tubería (igual a la relación
de la altura de las imperfecciones superficiales e al diámetro interior de la tubería).
(a)
Para flujo laminar la ecuación
Pérdida de
dada anteriormente, puede ordenarse como sigue:
(I\b),
carga
:
t^
h"d# : #Lr#
(12a)
por tanto, para régimen laminar en todas las tuberías y para cualquier fluido, eI valot de/vrene
dado por
(12b)
f : 64/Rr
Ro tiene un valor práctico máximo de 2000 para que el flujo sea laminar.
(b)
Para flujo turbulento, muchos ingenieros hidráulicos e investigadores se han esforzado en
el cálóulo del tanto a partir de sus propios resultados como de los resultados obtenidos por
otros investigadores.
(1) Para flujo turbulento en tuberías rugosas
pueden deducirse a partir de
f :
(2)
8,"/pV2
o lisas las leyes de resistencia universales
: 8V,'llV'z
QS)
Para tuberías lisas, Blasius ha sugerido, con el número de Reynolds comprendido
entre 3000 y 100.000,
f :
(1
0,316/R8'2r
4)
Para valores de Ro hasta 3.000.000, aproximadamente, la ecuación de Von Karman,
modificada por Prandtl,
Urt
(3)
es
-- 2tog(Rxli)
0,8
I 1 F\
\r¿
)
Para tuberías rugosas,
'll\/T = 2log r.l, +
(4)
-
1,?J
(16)
Para todas las tuberías, el Hydraulic Institute de los Estados Unidos de Norteamértca
y la mayoría de los ingenieros consideran la ecuación de Colebrook como la más aceptable para,calcular f. La ecuación es
1 :
{i
Aunque la ecuación (/Z)
_2los[' *2'51=]
- ll,ld
RE\/f -)
es de resolución
muy engorrosa,
\tt
)
se dispone de diagramas que dan las re-
laciones existentes entre el coeficiente de fricción/ el número de Reynolds R" y la rugosidad relativa ef d.
De estos diagramas se incluyen dos en el Apéndice. El Diagrama A-1 (Diagrama de Moody, publicado
por cortesía de la American Society of Mechanical Engineers) se utiliza normalmente cuando se coel Diagrama A-2 se utiliza cuando se desea calcular el caudal. La última forma fue sugerida
noce
Q,y
primeramente por S. P. Johnson y por Hunter Rouse.
Se observa que para tuberías lisai, en las que el valor de eld es muy pequeño, puede despreciarse
primer
términó enire corchetes de (17); en este caso las (17)y (15) son análogas. Del mismo modo,
el
paia números de Reynolds Ru muy elevados, el segundo término entre corchetes de la (17) es desprelu üscosidad no influye prácticamente y/depende tan solo de la rugosidad relaen tales
""ro,
"iubl";
tiva de la tubería. Este hecho se pone de manifiesto en el Diagrama A-1 ya que las curvas se vuelven horizontales para números de Reynolds elevados.
100
FLUJO DE FLUTDOS EN
TUBERTAS
tcAp.
7
Antes de utilizar los diagramas, el ingeniero ha de poder estimar la rugosidad relativa de la tuberia a partir de su propia experiencia ylo de la de los demás. Los valores sugeridos para el tamaño de las
imperfecciones superficiales €, en el caso de tuberías nuevas, se incluyen los Diagramas A-1 y A-2.
OTRAS PERDIDAS DE CARGA
Otras pérdidas de carga, tales como las que tienen lugar en los accesorios de tuberías, se dan generalmente en la forma
Pérdida de carga (m)
En las Tablas 4 y 5 del Apéndice
rios más comúnmente utilizados.
:
K(V'zl2g)
(18)
se da una serie de valores de las pérdidas de carga en
los acceso-
Problemas resueltos
1.
Determinar la velocidad crítica para (a) un fuel-oil medio que fluye a 15" C a través de una tubería
de 15 cm de diámetro y (b)el agua a 15" C que circula por una tubería de 15 cm.
Solución:
(o) Para que el flujo sea laminar,
el máximo número de Reynolds es 2000. De la Tabla 2 del Apéndice, la vis-
a 15' C es 4,42 x 10-6 m2/seg.
2000: Rn: Vcdlv: Vcl0.l5)19.42 x
cosidad cinemática
(b) De la Tabla 2, v:1,13 x
2000
2.
:
10-6¡
Zc:0,059
m/seg
10-6 m2/seg, para el agua a 15'C.
vc9,l5)10.r3
x 10-6)
zc
:
0,015 m/ses
Determinar el tipo de flujo que tiene lugar en una tubería de 30 cm cuando (a) fluye agua a 15" C
a una velocidad de 1,00 m/seg y (á) fluye un fuel-oil pesado a 15' C y a la misma velocidad.
Solución:
(a) R¿: vdlv:
1.00(0,3)/(1.13
x
10-6¡
:
265.000
>
2000. El flujo es turbulento.
(b) De la Tabla 2 del Apéndic€, v : 2,06 x l}-a m2lseg.
Rn: Vdlv : 1,00(0,3y(2,06 x 10-a) : 1450 < 2000. El flujo es laminar.
3.
Para un flujo en régimen laminar, ¿qué diámetro de tubería será necesario para transportar 350 l/min
de un fuel-oil medio a 4,5" C?
(v:7,00 x
10-ó m2/seg).
Solución:
Q:0,350160:
5,83
x
10-3 m3/seg.
V:
QIA:4Qlnd2 :23,33 x l0-3lnd2
mlseg.
d
Vd
23.33 x l0-r
RE:-_-.'2000:T(^o"'¡-|,d--0.530m.Seutilizarálatuberíanormalizadadediá-
metro rnmechato superlor.
4,
Determinar la distribución de las tensiones cortantes a lo largo de una sección recta de una tubería circular, horizontal y el flujo en régimen permanente.
Solución:
(a) Para el cuerpo
libre de la Fig. 7 -l(a), como el flujo es permanente, cada una de las partículas se mueve hacia
la derecha sin aceleración. Por tanto, Ia suma de todas las fuerzas en la dirección x debe ser nula.
p(rrz) - pz(;r2) - r(ZrrL) = Q
o
(pt-p')r
,=T
-
(A)
101
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
cAP. 7l
Pérdida de carga lr¿
dA
dr
(d)
(c)
(b)
(@)
Fig.7-1
Cuando r : 0, la tensión cortante r se anula; cuando ,: ,o,la tensión sobre la pared coincide con el
máximo de la tensión. La variación es lineal, tal como se ha representado en la Fig. 7-1(á). La ecuación (l)
es válida tanto para flujo laminar como turbulento ya que en la deducción de la misma no se ha impuesto
limitación alguna respecto al tipo de flujo.
Como (p1 - pz\lw representa la caída de la línea de alturas totales, o pérdida de carga ftr, multiplicando la ecuación (l) por wfw, se obtiene
Wf /pr -
2L\
5.
whr
p2
(B)
2L,
u)
Desarrollar una expresión que dé la tensión cortante en la pared de una tubería.
Solución:
Del Problema
2r,L
4, ht = 1.Dro
Igualando estas expresiones,
6.
#
4r.L
u.¡d
'
La fórmula de Darcy-Weisbach
= f 1#
= f tT =
,o
y
.
"" - r"LV2
d.2g'
es
fpV,tse¡k7lm2.
Para un flujo laminar y permanente (a) ¿cuál es la relación entre la velocidad en un punto de la sección recta y la velocidad en el eje de la tubería? y (ó) ¿cuál es la ecuación de la distribución de
las velocidades?
Solución:
(a) En el caso de flujo laminar la tensión cortante (véase Cap. 1)es r :
dado para r por la ecuación (l) del Problema 4, se obtiene
d.u _ (pt-p,)r
-tt dr
2L
Como (p,
-
-tt(duldr). Igualando
éste con el valor
pz)lL no es función de r,
o"
fo
(¡' ,' a,
l- O, = t'*?
- Ju.
2pL Jo "'
u :
Pero la pérdida de carga en
y
-(u
- u., -
(P':
?)t-
4PL
,"-(F'.p-')r"
4pL
Z m de tubería es h, : (pt - p)lw; por tanto,
whu12
4pL
(b) Como la velocidad
,: ,o, u : 0 en (,4), y se tiene
(pt - p,\rZ
len el eje)
(B) y
(6)
en el contorno es cero, cuando
=
Por tanto, en
(A)
general,
4uL
ü = W(rZ-
r')
(c)
@)
102
7.
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
[cAP.
7
Desarrollar una expresión para la pérdida de carga en una tubería para el caso de flujo laminar
permanente y fluido incompresible. Referirse a la Fig. 7-l(d) del Problema 4.
Solución:
v. = 3
de la cual
(A)
Por tanto, para un flujo laminar la velocidad media es la mitad de la velocidad máxima a", dada por la ecua-
ción (C) del Problema 6. Volüendo a ordenar (,4). se obtiene
!]-p
'tt)
=
pérdida de carga
-
- SpLY*
=
wrl
s2pL=I!:rwdz
(B)
Estas expresiones son aplicables al caso de flujo laminar de cualquier fluido y para todas las tuberías y conductos.
Como ya se estableció al principio de este capítulo, la expresión de la pérdida de carga para flujo laminar en
Ia forma de Darcy es
pérdida de carga
8.
= V*"rU
f 'A#
Determinar (a)la tensión cortante en la pared de una tubería de 30 cm de diámetro si el líquido que
fluye es agua y la pérdida de carga medida en 100 m de tubería es de 5,0 m, (á) la tensión cortante a 5 cm del eje de la tubería, (c) la velocidad de corte, (d) la velocidad media para un valor de
f igual a 0,050, (e) la relación vfu..
Solución:
(a)
utirizando
(b) Como ¡
^ :"":"::"::):":ffi,','ñ:,1ffi:'
;r:'-:;:::,:,;":'T:.'lJ:j,"*'
varía linealmente desde el eje a la pared,
r:
f5Q,lS
x l0-4) :1,25.x l0-a
,,: ,F¡: Jrl\lt\r: 0,19t m/ses.
(dl Mediante h, : I'L v' se tiene 5 : 0,050 loo v2 de donde V : 2,93 mlseg.
¡ U,
0,n k,
De otra forma: De la ecuación (3), r" : .fpVtl8, 3,75 : 0,050(l0Dy2l\, de donde V :
(c)
kglcm2.
Por la ecuación (5).
(e) De ro: p@ly)y v: plp
se obtiene
t":
Como t,f p: u3, se tiene u3 : v(u|il, olu?
9.
*'"
2,93 mlseg.
pv(uly)o
:
ylt,
fp:y1¿1r¡.
y ulu.: u,yltt.
Si en el problema precedente el agua circula a través de un conducto rectangular de 90 cm por 120 cm
de la misma longitud y con la misma pérdida de carga, ¿cuál es la tensión cortante entre el agua y
la pared del conducto?
Solución:
En el caso de conductos no circulares se utiliza como dimensión lineal conveniente el radio hidráulico. Para
una tubéría circular,
Radio hidráulico
Sustituyendo
r : 2R en la
R:
área de la sección recta
:
mojado -
nd2l4
: _ 'o
-d
"d 4: t
ecuación (B)-perimet.o
del Problema 4,
1000(5).
x l'21
,:Yh'R
L - 100 ,i09iÉ):
(0'9
12'85
kslm' :1'285
x r0-3 kslcm2
103
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
cAP. 7l
aceite lubricante medio, de densidad relativa 0,860, es bombeado a través de una tubería horizontal de 5,0 cm de diámetro y 300 m de longitud. El caudal bombeado es de 1,20 l/seg. Si la caída
de presión es de 2,10 kglcm2, ¿cuál es la viscosidad absoluta del aceite?
10. Un
Solución:
y utilizando la
Suponiendo el flujo laminar
(^
^r-32¡tLV*
',!t - p)
2,1
Por tanto,
x
10a
:
expresión (A) del Problema 7, se obtiene
donde
V^"
: i:O l)v
ffi
32¡r(300X0,6r)l(0,05)'z
y
1o-3
:
o,6l
m/seg
p:0,00896 kg seg/m'
para comprobar la hipótesis hecha al principio de flujo laminar es necesario calcular el valor del número de
Reynolds para las condiciones en que se desarrolla el flujo. Así
x 0,05 x 0,860
Ru:i:Vd Vdu) 0,ó1 0.00896t9J "
tc:
1000
:
300
Como el número de Reynolds es menor de 2000, el flujo es lamina¡ y el valor hallado de
¡
es correcto.
absoluta 0,0103 kg seg/m2 y densidad relativa
y 3000 m de longitud. ¿Cuál es la pérdiámetro
cm
de
0,850 está circulando po. u.ru tubería de 30
dida de carga en la tubería?
ll. Un caudal de 44 l/seg de un aceite de viscosidad
Solución:
V
O
: 1:
A
x l0-3
;-_(u.J r :
44
ilt
0,ó2x0,3x0,850x1000 :
0,0103 x 9,8
Vdw
D
0.61 m./seg y ¡\E
--_- pg
1565,
lo que
significa
que el flujo es laminar. De aquí
f:
lZ.
X: 0,040e y
pérdida de carga
: t+
#:
0.040e
'#
^
8,02 m
ry:
Del punto A al B está fluyendo un fuel-oil pesado a través de una tubería de acero horizontal de
kglcmz '
900 m de longitud y 15 cm de diámetro. La presión en .4 es de 11,0 kglcmz y en B de 0,35
caudal
es
el
La viscosidad cinemáticg es 4,13 x 10-a m2/seg y la densidad relativa 0,918. ¿Cuál
en l/seg?
Solución:
La ecuación de Bernoulli entre A y -8, plano de referencia el horizontal que pasa por
*',,,'#)¿n",:,ff+*" ft
*
'#j-iffi
+
*
o
bien
Tanto V como
Problema 7.
/
l,
es
+ ot
son incógnitas que dependen una de otra. Si el flujo es laminar, por la ecuación (B) del
v zY:-:
\P,
-
Pzld2
32pL
(11,0
32(4,13
x
-
0,35X104)
10-a
x
0,918
x (0,15)'z
x 1000/9,8X900)
-- 2,16 mlseg
2,11p,15¡¡¡4,t3 x 10 o) : ZgS, por lo que el flujo es laminar. Por tanto, Q : ArrV1, : tn(Q,lJ)2 7
3,8 x 10-2 m3/seg : 38 l/seg.
Si el flujo hubiera sido turbulento no podría aplicarse la ecuación (,8) del Problema 7. En el Problema 15
o
se utilizará otro método. Todavía más, si entre los puntos I y -B existiera una diferencia de cota topográfica
piezoelevación habria que sustituir el término (pr, - p) de la ecuación (.8) por la caida en la línea de alturas
métricas. medida en kg/m2.
:
2,16:
y R¿
13.
22,0 l/seg de un fuel-oil pesado
¿Qué diámetro de tubería será necesario utilizar para transpofiat
de tubería horizontal es
longitud
m
de
1000
que
en
se dispone
á iS. C si la pérdida de carga de
de 22,0 m?
Solución:
para el fuel-oil, v : 2,05 x 10-a m2/seg y la densidad relativa : 0,912. Como el valor de la viscosidad
cinemática es muy elevado, se supondrá que el flujo es laminar. Entonces,
104
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
Pérdida de carga
Sustituyendo, 22,0 :
v'" x
-
ud'
x
(0,028 I d'? )Q2\(2,05
1
z
Se comprueba ahora la hipótesis de
RE:::
v
0,17
Se utilizará tubería normalizada de
14.
x
X1
000)
:
0,17 m.
2.05 x
,-+
: 804.
8 pulgadas o de 20
7
0.028
[nd2
1000)d'¿
0.028
v
1000/9,8
z t0 3
22
A
flujo laminar utilizando d
(0.0281d?)d
-
o
,,a'
0-a x 0,912 x
10.912
t/)
..
J
32PL
[cAP.
d2
' d:0,1'7 m
luego el flujo es laminar.
cm.
Determinar la pérdida de carga en un tramo de tubería nueva de fundición sin recubrimiento,
de 30 cm de diámetro interior y 1000 m de longitud, cuando (a) fluye aguaa 15" C y a una velocidad de 1,50 m/seg, y (á) cuando circula un fuel-oil medio a l5' C y a la misma velocidad.
Solución:
(a)
Para utilizar el Diagrama A-l es necesario conocer la rugosidad relativa y calcular el valor del número de
Reynolds. A partir de la tabla dada en el Diagrama A-1 se ve que los valores de las rugosidades, para tuberías de fundición sin recubrimiento, van de 0,012 cm a 0,060 cm. Para un diámet¡o interior de 30 cm y
tomando como valor del diseño e : 0,024 cm, la rugosidad relativa será eld : 0,024130 : 0,0008.
Tomando el valor de la viscosidad cinemática de la Tabla 2 del Apéndice,
RB:'Vdlv: t.50(0,3)/(1,13 x 10-6) : 3,98 x 10s (flujo turbulento)
Pérdida
e/d:
:3,98 x
f :0,0194
de carga : 0,0194(1000/0,3)(2,2512s) : 7,40 m
En el Diagrama A-1, para
0,0008
y
Re
l0s,
y
O, mediante la Tabla 3 del Apéndice (aplicable al agua solamente),
./: 0,0200 y
0,0200(100010,3)(2,2512d : 7,65 m
(b\ Para el fuel-oil, mediante la Tabla 2, RE: 1,5(0,3)l@,42 x l0 6) : t,02 x l0s. para flujo
del Diagrama A-1, f :0,0215 y pérdida de carga : 0,0215(1000/0,3)(2,25129): 8,20 m.
Pérdida de carga
: f(Lld)(vrl2g) :
turbulento,
En general, el valor de la rugosidad de las tuberías en serticio no puede est'imarse con gran precisión
y, por tanto, en estos casos no es necesario un valor de/muy preciso. Por las razones dichas, cuando se
utilicen los Diagramas A-1
y A-2y la Tabla 3 para superficies que no sean nuevas, se sugrere
que la tercera
cifra significativa del valor de/se lea o interpole solo tomando los valores cero o cinco, ya que no puede
garantizarse una precisión mayor en la mayoría de los casos prácticos.
Para flujo laminar, y cualquier tuberia o fluido, debe utilizarse :641R¿.
-f
15.
Los puntos A y B están unidos por una tubería nueva de acero de 15 cm de diámetro interior y
l200mdelongitud.ElpuntoBestásituadol5,0mporencimadelAylaspresionesenAyBson,
y 3,40kglcm2. ¿Qué caudal de un fuel-oil medio a2l" C circulará
entre A y B? (Del Diagrama A-1, e : 0,006 cm.)
respectivamente,8,60 kglcm2
Solución:
El valor del número de Reynolds no puede calcularse directamente. Al establecer la ecuación de Bernoulli
A y B, tomando como plano de refe¡encia el horizontal que pasa por A,
entre
8,ó
f_r
0.854
Además,
x lOa V?,
-r{)l_l(_
x 1000 2s
Rc:
V?. 3.4_ ,
l____j_::(
'0.854
t}a __,.rl<nl
Vl.
1000
2s
'
1200
''0.15' 29
J^
t/2
/ t5
45,8
8000/
Vdlv. Sustituyendo V por el valor anterior,
Itr
¿
=
o
v
It¡1/
[ :
4
(A)
v
Como el término 45,8 es h" o descenso de la línea de alturas piezométricas, y 8000 representa Lld, laexpresión general que ha de utilizarse cuando se quiere determinar Q es
p..,fi
q
2g(d)(hr)
v
L
(véase también Diagrama
A-2)
(B\
105
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
cAP. 7l
p- /rf :
Por tanto,
"Ev"/
-
o,l5 \ ¡9,6 " 4s,8
x 10-óV SOOO
3.g3
La observación del Diagrama A-2 indica que el flujo es turbulento. Entonces, del Diagrama A-2, -f
eld : 0,006115: 0,0004. Se completa la solución mediante la ecuación de Bernoulli anterior
Ú::
29 -:I--:0,286,
8000(0.020)
.
Q
lor
16.
: ArrVt, :
x
in(0,15)2
v,s:2,37 mlses
:0,042
2,37
:
0,020 para
v
m3/seg de fuel-oil
El lector puede comprobar el resultado calculando el valor del número de Reynolds y determinando el vaf a partir del Diagrama A-1.
Cuando el flujo es laminar, se seguirá el método desarrollado en el Problema 12.
de
15?
¿Qué caudal de agua (a 15" C) circularía en las condiciones del Problema
Utllizar la Tabla
3.
Solución:
a
La ecuación de Bernoulli conduce
f
(86
- 4g):8000f+'
' 2g +2s: J*
8000/
La solución más directa es suponer, en este caso, un valor del De la Tabla 3, para tubería nueva de 15 cm,
varía entre 0,0275 y 0,0175. Se ensaya el valor f: 0,0225. Entonces'
v?rl2s
:
37l(8000
Se comprueba ahora tanto
x 0,0225):
0,20ó
m y
el tipo de flujo como el valor
de
:
vts
/
2,01 m/seg
en la Tabla 3:
X¡:2,01(0,15)lí,13 x 10-6) :266.000, luego el flujo es turbulento
Ahora, por interpolación en la Tabla 3, f
V?'l2s
:
0,0210'
-- 37i(8000 x 0,0210) :
De la Tabla 3, y con una precisión razonable,
Q
: AtrVr, :
in(0,15)2
x
Al
0,22r
f:
2,08
repetir los cálculos
m !
Vts
:
2,08 m/seg
0,0210 (comprobación)' De aquí
:
37
x l0-3 m3/seg
de agua
Este procedimiento puede utilizarse también con el Diagrama A-1, pero se prefiere el método utilizado en
el Problema
15.
caudal de aire a20" C puede transportarse mediante una tubería de acero nueva y horizontal de 5 cm de diámetro interior a una presión absoluta de 3 atmósferas y con una pérdida de presión de 3,50 x 10-2 kg/cm2 en 100 m de tuberia? Utllizat e : 0,0075 cm.
17. ¿Qué
Solución:
Del Apéndice! para una temperatura de 20' C, w : 1,20 kgl^' y v : 1,49 x 10-s m2/seg a la presión atmosféricanormal.A3atmósferas,w:3x1,20:3,60kg/m3yv:+xl,49xlO-s:4,97x10-6m2/seg.
Esta viscosidad cinemática podría haberse obtenido también de la siguiente forma
ks ses
w 1,20 x 1,49 x l0-s
|l:-v_-_:l,82x10_6-+a20"Cy1,033kglcm2depresiónabsoluta
'C9,8m'
Además, a 3
x
1,033 kglcm2 de presión absoluta,
va
3 at: tti:1,82 x
10-6
w^¡,.:
t
,nI
:
3,60
4,97
kg/-t
x
y
10-6 m2lseg
Para determinar el caudal puede considerarse el aire como incompresible. Por tanto,
pt
- pz:
Lú
pérdida de carga
: f: f,
d2s
^ -t'o v2 Y v2
r lOa t's:JWE
3,óo - nE:
0'035
0'0487
f
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
106
[cAP.
Del Diagrama A-2, J : 0,025 para ef d: 0,0075/5 : 0,0015. De aquí,
V2l2g:0,04871f : 1,948 m, Vs:6,18 mlseg, y Q: AsVs: ln(0,05)2
18.
x
6,18
:
12,15
x
10-3
7
m3lseg
¿Qué diámetro debe de tener una tubería nueva de fundición de 2400 m de longitud para transportar 1,0 m3/seg de agua con una caída en la línea de alturas piezométricas de 64 m? Utilizar en
los cálculos la Tabla
3.
sofución: Er teorema
de
Bernourri
t
J,^*
l\*
*':::';.':^a
'^, tut -"t)
#A
+
fi + ""¡
^.'+
' d
29
El miembro de la izquierda, entre corchetes, representa la caída de la línea de alturas piezométricas. Sustituyendo V : QIA y suponiendo el flujo turbulento
64
Suponiendo/:
: f.2400
d
lL,\llnd'z)'z
que simplificada
da
d5
:
3,10f
0,020 (como tanto d como Zson desconocidos, es necesaria una hipótesis). De aquí,
d5
De la Tabla 3, para
'
: f\]}):
0,020(3,10)
V: -#--r-:3,87
lt (0,573)'14
: 0,062, d :
0,573 m
m/seg, /:0,0165.
Para este valor de la velocidad del agua el flujo es turbulento en la mayoría de las tuberías. Repitiendo los
cálculos,
ds : 0,0165(3,10) : 0,0511, d :0,552 m
Se comprueba el valor de f, V : 4,17 mlseg y la Tabla 3 da f : 0,0165 (correcto).
Se seleccionará el diámetro normal inmediato superior:60 cm o 24 pulgadas, parala tubería. (Es necesario
comprobar el valor de R", utilizando el valor de v para el agua a 21" C.)
19.
Los puntos C y D, con la misma elevación, están unidos por una tubería de 150 m de longitud y
20 cm de diámetro y conectados a un manómetro diferencial mediante dos tubos de pequeño diámetro. Cuando el caudal de agua que circula es de 178 l/seg, la lectura en el manómetro de mercurio es de 193 cm. Determinar el factor o coeficiente de fricción Í
Solución:
,+.++o)-,#+:r?*?*0,
Del manómetro diferencial (véase Capítulo 7),
pclw
Igualando (1)
20.
-r
1,93
v Q), 24,3 :
:
polw
p":
pa
(4-P-Pt:f(1sot+
t0 u)
o
¿g
o
+ 13,57(1,93), y
f(750)(5,66)212g de la cual /:
(prl* - pnlw) :
24,3 m
EI 54m
roblonado de 40 cm de diámetro interior.
La presión en l-es de 0,14 kg/cm2, cuando el caudal es de I97 llseg. (a) ¿Qué potencia debe suministrar la bomba a la corriente de fuel-oil? y (ó) ¿qué presión
debe mantenerse en B? Dibujar la línea
de alturas piezométricas.
Fig.7-2
Solución:
0.197
n(0,4],'z14
:
1.565 mlsep
(2)
0,0193.
Un fuel-oil medio a 15" C se bombea al
depósito C (véase Fig. 7-2) a través de
1800 m de una tubería nueva de acero
V^":1
RE
(1)
1,565
x
5,16
0,4
x
106
:
121.000
Del Diagrama A-1, para eld:0,18140: 0,0045, /:
\a)
107
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
cAP. 7l
0,030.
La ecuación de Bernoulli erftre A y C, con plano de referencia el horizontal que pasa por A, da
1800 fi.565), (1.5j5r:(0+
lOa
0+24)
,0.t4x
+(1.565)2+0) +H-_ o'03(o^)
,r -'r129
0,8ól x looo
De donde,
Hr:
39,3
m y
potencia (CV)
wOH: É
0,861
x
x
1000
--
0.197
'75
x
39.3
:
88 CV.
El último término del primer miembro de la ecuación de la energía representa la pérdida de carga en
]a sección de desagüe de la tubería en el depósito (véase Tabla 4 del Apéndice). En la práctica, cuando la
relación de longitud a diámetro (Lld) es superior a 2000 se desprecian las alturas de velocidad y las pérdidas menores en la ecuación de la energía (en el caso presente se eliminan entre sí). La precisión de los resultados obtenidos al tener en cuenta las pérdidas menores es ficticia ya que / no se conoce con ese grado
de precisión.
(b)
La altura de presión en B puede determinarse estableciendo la ecuación de la energía entre A y
B y C. En el primer
caso los cálculos son más reducidos;
(1.62
Por tanto, palw:40,92
+4ro
*
m y pB: whll\a :
La línea de alturas piezométricas
3e.3
(0,861
x
:P*?
+
En ,8, (30,0 +
r,62) m
:
40,92\ m
En C. elevación :
:
*
la Figva
o entre
ot
:3,52
1000X40,92)/104
aparece dibujada en
En ,4, (30,0
21.
ot+
-B
así
kglcm2'
7-2.
31,62 m
'70,92
m (o
31,62
+
39,3)
54 m
En el punto,4 de una tubería horizontal de 30 cm (f : 0,020) la altura de presión es de 60 m' A una
distaniia de 60 m de A,latubería de 30 cm sufre una contracción brusca hasta un diámetro de 15 cm
de la nueva tubería. A una distancia de esta contracción brusca de 30 m la tubería de 15 cm
(/ : 0,015) sufre un ensanchamiento brusco, conectándose con una tubería de 30 cm' El punto -F
está 30 m aguas abajo de este cambio de sección. Para una velocidad de2,4l m/seg en las tuberías
de 30 cm, dibujar la línea de alturas piezométricas. Referirse a la Figura 7-3.
Solución:
Las alturas de velocidad son
Vlol2g: (2,41)2129:0,30 m y Vltl2s:4'80
m.
La línea de alturas totales cae en la dirección del flujo en cantidades iguales a las pérdidas de carga. La línea
de alturas piezométricas está por debajo de la de alturas totales en una cantidad igual a la altura de velocidad
correspondiente a cada sección. Obsérvese en la Fig. 7-3 que la línea de alturas piezométricas puede elevarse
cuando tiene luear un ensanchamiento brusco.
A
60ñ-30cmo
iil
B f,30m-lscmDpB
Fig.7-B
39,6 m
39.3 m
30m-30cmD
tr'
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
r08
[cAP.
7
Tabulando los resultados con una aoroximación de 0.1 m.
Pérdidas de carga en m
Cálculos
En
Desde
A
(Elev. 0,01
60,3
0,3
60,0
5q1
01
58,8
57
1
4,8
52s
14,4
42,9
4,8
38, I
- 2,4)'¿ . a
40,2
01
39,9
19,6
0.3
lq?
D
CaD
0,015
E
DaE
tv,. - v,^f
F
EaF
0,020x30/0,3x0,3:0,6
K.*x4,8:0,37x4.8:1,8
x
x
30/0,15
29
4,8
t9.6
Alturas
piezométricas,
m
C
se
^
m
AaB
BaC
* [K.
v-
totales,
m
0.020x60/0,3x0,3:1,2
B
Alturas
:
19.6
ha obtenido de la Tabla 5; el término correspondiente al ensanchamiento brusco (de D a E) se ha to-
mado de la Tabla 4.]
22. Está fluyendo un aceite desde el depósito
,4
a través de una tubería nueva de fundición
asfaltada de 15 cm y 150 m de longitud hasta
el punto B, a una elevación de 30,0 m, como
se muestra en la Fig. 7-4. ¿Qué presión,
en kgf cm2, tendrá que actuar sobre I para
que circulen 13,0 l/seg de aceite? (Dr : 0,840
y y : 2,10 x 10-6 m2/seg.) Utilizar € :
El. 30.0 m
Fig.7-4
0,012 cm.
Solución:
vrt: lO
13.0
x
l0-3
Vd
0,735
x
0,15
) 1ll
Del Diagrama A-1,
f :
0,0235 y aplicando la ecuación de Bernoulli ettre A y .8, con plano de referencia
se obtiene
el horizontal que pasa por A,
(4 + o+ o) - o,soq!#- o,or5#
Despejando,
23.
ptlw:6,7
m de aceite
y p¡:
whll\a
:
(0,n5)2
)o
(0.840
x
:(o+g{*ut
1000X6,7)/104
:0,56
kglcm2.
La presión en el punto ,4 de una tubería nuev€ horizontal de fundición, de 10 cm de diámetro interior, es de 3,50 kglcm2 (ab), cuando el caudal que circula es de 0,34 kg/seg de aire en condiciones isotérmicas. Calcular la presión que reina en el interior de la tubería en la sección -8, situada
540 m aguas abajo de la sección .4. (Viscosidad absoluta : 1,90 x 10-6 kg seg/m2 y t : 32 C.)
Utilizare:0,009cm.
Solución:
La densidad del aire varía a lo largo del flujo al ir variando la presión.
En el Capítulo 6 se aplicó el teorema de Bernoulli a fluidos compresibles cuando las condiciones no implicaban pérdidas de carga (flujo ideal). La ecuación de la energía, teniendo en cuenta la pérdida de carga, para
una longitud de tubería dL y cuando zt: zz será
dp
v
'11)
Dividiendo por
V2
E
dp
v"*2s
dv
s
2dV
v
.dL
v2
'd2s
1-
l¿r=o
d
Para un flujo permanente, el número de kg/seg que están fluyendo es constante; por tanto, W
obteniéndose
y puede sustituirse V por WlwA en el término que da la altura de presión,
2ow2A2
w-a-dp-
zdv lidL
t ,=
v
u
:
wQ
:
wAV
cAp.
7l
FLUJO DE FLUTDOS EN
Comolascondicionessonisotérmicas,prfwt
2sA"
wrET
en la que
/
TUBERTAS
: pzltoz: RI o bien
¡¡
:
(',,
,Jr, v T L(tn"
a),
)r,pop .| 2(',ry
109
plRT. Sustituyendoelvalorderu,
=
o
puede considerarse constante, como se verá más abajo. Integrando
y
sustituyendo límites,
0a',,
fuln'"-pi\ + 2(ln Vz - ln I/') -l f(L/d) = O
2.
:
Para compararla con la forma más común (con z,
+2ln
grp1
donde /(
:
oA2
v,)
zz) se pone en
- Íe/(t) : (Kpi*2ln
(A)
la forma
(B)
vz)
Ordenando términos,
=j::_-*.
W'RT
wz?Tf
v'z L1
- Pi = sA, lz' tn vt - tA)
Ahora bien, WlAt : w2rAlv2rl,l2r: w?V1 y RT: ptlwt; de aquí
(c)
Pi
W'RT
gA',
Entonces (C) se puede
poner
(t),
-
\Pt -
p,)(p, +
wrVlp,
(D\
p,)
o
*'Pr'-,r_
,
2
zlz n
r;. ,"n1#
|
sl
V, "L)
v,* I d)
ln
P2)
Pérdida de
(I * pz/ttt)
lat
carga
(E\
Los límites de las presiones y las velocidades se estudiarán en el Capítulo ll.
Antes de sustituir valores en esta expresión es importante estudiar la posible variación def ya que la velocidad V no se mantiene constante en los sases cuando su densidad varia.
vd _vdp
^nt:-ilp,, -#*
comoe_ 1q,hxgo*"=H
Se observará que el número de Reynolds es constante para el
(F)
flujo permanente ya que ¡r solo varía cuando
este problema a pesar de que la
utilizando la viscosidad absoluta dada,
lo hace la temperatura. De aquí, el coeficiente de rozamiento/es constante en
velocidad aumentará al disminuir la presión. Sustituyendo valores en
l'19 t-l0u
n":
,--0'3a-l x
" hl4)(0.10)'
9.8
x
(fl,
:232.000. Del Diagrama A-1,
f :0,0205.
eld:0,0009,
para
1,90
Mediante la (C) anterior, despreciando 2 ln VrlVr, que es muy pequeño comparado al término f(Lld),
(3,50
de la cual pz
En .B:
En
:
A:
:
3,22
x
lo4l',
- o3 :
(o't1l'^rx 29'3(32 + 273)
''o¡Gffi
x l}a kglm2 y pz :3,22
'
'
fdesP'
+
(0'0205)
jfffi:3,61
kstm3,
0,34
W
:
vz: wzA
3,61 x 7,87 x l0-
*,: ###,:3.e2
kgtm3,
vt: **#-;-ñ.:
*,:
-
kglcm2 (ab).
rl,0
12,0 mlseg.
m/ses.
De aquí, 2ln VtlVt : 2ln (12,0111,0) : 2 x 0,077 : 0,l5T, que es despreciable frente al término
111. Por tanto, la presión en la sección B es p'r:3,22 kglcm2.
Si el aire se supone incompresible, se tiene
- Pz :
!19 qY[ : 687 m/ses
' d f:
wr f:
2e o.o2o5 ' 0.10* 2S
Lp : wth:3,92 x 687 :2680 kglm2 :0,268 kglcm2
Pt
y
540
oJo-'l
pi :
3,50
-
0,27
:
3,23 k9lcm2, acuerdo poco frecuente.
f(Lld)
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
110
24.
[cAP.
7
Una tubería horizontal de hierro forjado, de 15 cm de diámetro interior y algo corroída, transporta 2,00 kg de aire por segundo desde,4 a B.En I la presión absoluta es 4,90 kglcmz y en,B
debe mantenerse una presión absoluta de 4,60 kglcm2. El flujo es isotérmico a20'C. ¿Cuál es la
longitud de la tubería que une A con B? Utllizar e : 0,039 cm.
Solución:
Se calculan los valores de partida (véase Apéndice para 20" C
wt:
V1 :-
R¿:
1,205(4,90/1,033)
w
:
5,70
kglm', uz:
y
1,033 kg/cm'?),
r,205(4,6011,033)
2,00
wtA
x
19,8
5.70
x
z
]n (0.
t0's
5,35 kg/m'
2,00
0,15
(1.033/4.90X1.499
:
15
:
)2
-
5,35
943.000. Del Diagrama A-1,
¡
x fz(0,15)2
f:
:21,2
0,025, para
eld:
mlseg
0,0026.
Mediante la ecuación (E) del Problema 23,
- 4,60)104 _ 212 tn 2r,21r9,8 + 0,025(L10,15)l(19.8\, 12e,v L:t)zm
r _ r {) n
5,n
0+4,6014,90)
(4,90
Nota'. Paraelflujodegasesentuberías,cuandoelvalordeprnoesmenordelr10\queelvalordepr,se
comete un error menor del 5
I
en la pérdida de presión al
-
utilizar la ecuación de Bernoulli en su forma habitual,
suponiendo el fluido como incompresible.
25.
Las elevaciones de las líneas de alturas totales y de alturas piezométricas en el punto G son, respectivamente, 13,0 m y 12,4 m. Para el sistema mostrado en la Fig. 7-5 calcular (a) la potencia extraída entre G y H, si la altura total en .É1 es de 1,0 m y (ó) las alturas de presión en E y F, cuya
elevación es de 6,0 m. (c) Dibujar, con aproximación de 0,1 m, las líneas de alturas totales y de
alturas piezométricas, suponiendo para la válvula CD K : 0,40 y ,f : 0,010 para las tuberías
de 15 cm.
El
38,4 m
El
33.ó m
El
28,E m
,';t#r?m$
lom-Jocm I
El
12.4ú
60cmD
El
f = 0,ü0
3,0
n
Fig.7-5
Solución:
La corriente debe de circular hacia G, desde el depósito, ya que la línea de alturas totales en G está por
debajo de la superficie libre del depósito. G.ÉI es una turbina. Antes de poder determinar la potencia extraída
es necesario calcular el caudal Q y la pérdida de altura en la turbina.
(a) En G,
Vlol2g
:
0,6 m (diferencia entre las líneas de alturas totales
:
y
piezométricas).
Además VÍrl2s
16 x 0,6 : 9,6 m y VZol2C : +(0,6) : 0,04 m. Para obtener Q,
Vto :3,43 mfte1 y
Q : +7r(03)2 x 3,43 :0,242 m3lseg
Potencia (cv) : wQHrlTS : 1000(0,242)(13,0 - 1,0)175 :38,8 CV extraídos
(b) De f- a G, cota cero: (Energía en F) - 0,030(30/0,3)(0,6) : (Energía en G: 13,0)
Energía en -F : 13,0 + 1,8 : 14,8 m
CAP.
7]
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
De E a
d
cota
cero:
(Energía en E)
Energía en E
Altura de presión en E :
Altura de presión en .F:
k\
Yendo hacia atrás desde
Pérdida
Pérdida
Pérdida
Pérdida
20,2
14,8
-
-
:
(13,72
14,8
+
z
+
V2l2g
(6,0
(6,0
+
+
9,6)
0,6)
-
F:
3,43)2129: (Energía en
5,4
:
:4,6
:
111
14,8)
20,2 m
m de
agua.
8,2 m de agua.
.E:
de
de
de
de
altura total de
DaE
:
0,010(7,5/0,15X9,6)
altura total de C a D :0,40(9,6)
altura total de B a C : pérdida de D a E
altura total de A a B:0,50(9,6)
- 4,8\: Elev. en E :
- 3,8) : Elev. en D :
- 4,8): Elev. en C :
(Elev. en A - 4,8): Elev. en B :
(Elev. en D
(EIev. en C
(Elev. en B
:
:
28,8, Elev. B :
33,6, Elev. A :
20,2, Elev. D
25,0, Elev. C
: 4,8 m
: 3,8 m
: 4,8 m
:4,8m
25,0
28,8
33,6
38,4
m
m
m
m
La línea de alturas piezométricas está situada por debajo de la línea de alturas totales una cantidad
igual a V2l2g:9,6 m en la tubería de 15 cm,0,6 m en la de 30 cm y 0,04 m en la de 60 cm. Estos valores
se han representado en -la figura.
26. Un conducto rectangular
usado, de 30 cm x 45 cm de sección, y 450 m de longitud transporta
aire a 20" C y a una presión en la sección de entrada de 1,07 kglcmz (ab) con una velocidad media
de 2,90 m/seg. Determinar la pérdida de carga y la caida de presión, suponiendo el conducto horizontal y las imperfecciones superficiales de un tamaño igual a 0,054 cm.
Solución:
La fórmula que da la pérdida de carga debe escribirse de forma conveniente para poderla aplicar a conductos de sección recta, no circular. La ecuación resultante se aplica a flujos turbulentos con una precisión razonable. Se sustituye el diámetro, en la fórmula, por el cuádruplo del radio hidráulico, que se define por el cociente del área de la sección Tecta por el perímetro mojado, es decir, R : alp.
Para una tubería circular, R: tnd2lnd: dl4, y la fórmula de Darcy puede escribirse en la forma
f L- v'
" : 4R29
Pérdida de carsa
Paraf en relación con la rugosidad del conducto y el número de Reynolds se emplea en lugar de d el valor
4R,
así
R¿:Vdlv:V(4R)lv
para el conducto de 30 cm
x 45 cm,
4VR
D,\E---
p: ! : *3: t++ :
p 2(0,30 + 0,45)
4x2,90x0,09
(1,03311,070)(r,4ee)
x
10s
0,09 m , y
:72.600
f : 0,024 para eld : el4R: 0,0541(é x 9) : 0,0015. Por tanto,
"' de catga : 0'020 I x (2'90)2 : l2'9 m de aire
'erorda
F'
4 " 0.09 29
Del Diagrama A-1,
y la caída de presión
: whll\a:
(1,07011,033)(1,205)(12,9)110a:
1,60
x l0-3
kglcrn2.
Puede observarse que la hipótesis de densidad constante en el aire es satisfactoria.
tt2
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
[cAP.
7
Problemas propuestos
27.
Si la tensión cortante en la pared de una tubería de 30 cm es de 5,0 kglm2 y f:0,040, ¿cuál es la velocidad
media (a) si fluye agua a 2L" C, (b) si fluye un líquido de densidad relativa 0,70?
So/.
3,13 m/seg, 3,74 mlseg
28.
¿Cuáles son las velocidades de corte en el problema
29.
A
la
mlseg
60 m de longitud está fluyendo agua y la tensión cortante en las paredes
So/. 7,36 m
pérdida de carga.
través de una tubería de 15 cm
es 4,60 kg/m2. Determinar
precedente? So/. 0,22I mlseg, 0,264
y
30.
pared sea de 3,12 kg/m2 cuando al fluir
¿eué radio ha de tener una tubería para que la tensión cortante en la
Sol' r : 10,4 cm
carga
de 6 m?
pérdida
de
ágtu u lo largo de 100 m de tubería produce una
31.
Calcular la velocidad crítica (inferior) para una tubería de 10 cm que transporta agua a 27" C.
Sol.
32.
1,730
x
10-2 m/seg
Calcular la velocidad crítica (inferior) para una tubería de 10 cm que transporta un fuel-oil pesado a 43" C.
Sol.
0,892 m/seg
33.
¿Cuál será la caída de la altura de presión en 100 m de una tubería nueva de fundición, horizontal, de 10 cm de
diámetro, que transporta un fuel-oil medio a 10" C, si la velocidad es de 7,5 cm/seg? Sol. 1,26 x l0-2 m
v.
¿Curíl será la caída de la altura de presión en el Problema 33 si la velocidad del fuel-oil es de 1,20 m/seg?
Sol. 2,20 m
35.
Considerando únicamente las pérdidas en la tuberia, ¿qué altura de carga se necesita para transportar 220 llseg
de un fuel-oil pesado a 38" C a través de 1000 m de una tubería nueva de fundición de 30 cm de diámetro
interior? Utilizar e:0,024 cm.
So/. 47,70 m
36.
En el Problema 35, ¿qué valor mínimo de la viscosidad cinemática del fuel-oil producirá un flujo laminar?
So/. 4,67 x l}-a m2/seg
37.
Al
3E.
Un aceite de densidad relativa 0,802 y viscosidad cinemática 1,86 x 10-a m2fseg fluye desde el depósito,4 al
depósito .B a través de 300 m de tubería nueva, siendo el caudal de 88 l/seg. La altura disponible es de 16 cm.
considerar las pérdidas en la tubería únicamente, ¿qué diferencia en la elevación de dos depósitos, que distan
250 m, dará un caudal de 30 l/seg de un aceite lubricante medio a 10' C, a través de una tubería de 15 cm de
diámetro?
So/. 16,60 m
¿Qué tamaño de tubería deberá
utilizarse? Sol. 60 cm
39.
Mediante una bomba se transporta fuel-oil pesado, a 15" C, a través de 1000 m de tubería-de 5 cm de diámetro
hasta un depósito 10 m más elevado que el depósito de alimentación. Despreciando las pérdidas menores, deSol. 78,4CV
terminar la potencia de la bomba en CV si su rendimiento es del 80 f paratncatdal de 3,5 l/seg.
40.
Aguaa38"CestáfluyendoentreAyBatravésde250mdetuberíadefundición(e:0,06cm)de30cmde
diámetro interior. El punto ,B está 10 m por encima de A y la presión en I debe mantenerse a 1,4 kg/cm2. Si
Sol. 3,38 kg/cm'z
por la tubería circulan 220 llseg, ¿qué presión ha de existi¡ en l?
41.
Una tubería comercial usada de 100 cm de diámetro interior y 2500 m de longitud, situada horizontalmente, transporta 1,20 m3/seg de fuel-oil pesado, de densidad relativa 0,912, con una pérdida de carga de 22,0 m. ¿Qué presión debe mantenerse en la sección de entrada A para que la presión en B sea de l,4kglcm2 ? Utilizar e : 1,37 cm.
So/. 3,41 kglcm2
42.
Una tubería vieja, de 60 cm de diámetro interior
y
1200
m de longitud, transporta un fuel-oil medio a 27" C
desde,4aB.LaspresionesenAyBson,respectivamente,4,0kglcm2yl,4kg/ém2,yelpuntoBestásituado
Sol. 0,65 m3/seg
20 m por encima de l. Calcular el caudal en m3/seg utilizando e : 0,048 cm.
43.
Desde un depósito A, cuya superñcie libre está a una cota de 25 m, fluye agua hacia otro depósito ,8, cuya superficie está a una cota de 18 m. Los depósitos están conectados por una tubería de 30 cm de diámetro y 30 m
de longitud (f : 0,020) seguida por otros 30 m de tubería de 15 cm (/: 0,015). Existen dos codos de 90" en cada
tubería (K : 0,50 para cada uno de ellos), K parala contracción es igual a0,75 y la tubería de 30 crn es entrante en el depósito l. Si la cota de la contracción brusca es de 16 m, determinar la altura de presión en las
Sol. 8,51 m, 5,90 m
tuberías de 30 y 15 cm en el cambio de sección.
cAP. 7l
4.
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
113
En la Fig. 7-6 el punto ,B dista 180 m del recipiente. Si circulan 15 l/seg de agua, calcular (a) la pérdida de
carga debida a la obstrucción parcial C V @) la presión absoluta en _8.
Sol. 1,68 m, 0,98 kg/cm2 (ab)
/=_oE
?l
Fig.7-6
45.
Un disolvente comercial a 27' C fluye desde un depósito A a otro.B a través de 150 m de una tubería nueva
de fundición asfaltada de 15 cm de diámetro. La diferencia de elevación entre las superficies libres es de 7 m. La
tuuería es entrante en el depósito I y dos codos en la línea producen una pérdida de carga igual a dos veces la
altura de velocidad. ¿Cuál es el caudal que tiene lugar? Utilizar e :0,0135 cm.
Sol. 41,6 llseg
46.
Un conducto de acero de sección rectangular de 5 cm x 10 cm transporta 18 l/seg de agua a una remperatura
media de 15'C y a presión constante al hacer que la línea de alturas piezométlicas sea paralela al eje del conducto. ¿Qué altura ha de descender el conducto en 100 m al suponer la rugosidad absoluta de la superficie del
conducto igual a 0,025 cm? (Utilizar v:1,132 x 10-6 m2/seg.) So/. 2j,g m
47.
Cuando circulan 40 l/seg de un fuel-oil medio a 15" C entre Ay B a través de 1000 m de una tubería nueva de
fundición de 15 cm de diámetro, la pérdida de carga es de 40 cm. Las secciones A y B tiener. cotas de 0,0 m y
18,0 m, respectivamente, siendo la presión en .B de 3,50 kg/cm2. ¿Qué presión debe mantenerse en ,4 para que
tenga Iugar el caudal establecido? Sol. 8,48 kg/cm2
,f8.
(c) Determinar el caudal de agua que circula a través de las tuberías nuevas de fundición mostradas en la Fig. 7 -7 .
(á) ¿Cuál es la presión en -B si está a 30 m del depósito A? (lJtilizar la Tabla 3.) So/. 98 l/seg, 703kglÑ
49.
A
través del sistema mostrado en la Fig. 7-8 fluye agua a 38o C. Las tuberías son nuevas de fundición asfaltada
m la de 7,5 cm y 30 m la de 15 cm. Los coeficientes de pérdida de los accesorios y válwlas
son: Codos de 7,5 cm, K:0,40 cada uno; codo de 15 cm, K: 0,60 y válvula de 15 cm, K: 3,0. Determinar
el caudal.
Sol. 13,6 l/seg
y
sus longitudes 50
Fig.7-9
f).
Fig.7-8
Si la bomba -B de la Fig.7-9 transfiere al fluido 70 CV cuando el caudal de agua es de 220 l/seg, ¿a qué elevación puede situarse el depósito D?
Sol. 21,0 m
n4
FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERIAS
[cAP.
7
51.
Una bomba situada a una cota topográfica de 3 m mueve 210 l/seg de agua a través de un sistema de tuberías
horizontales hasta un depósito cerrado, cuya superficie libre está a una cota de ó,0 m. La altura de presión en la
sección de succión, de 30 cm de diámetro, de la bomba es dc -1,20 m y en la sección de descarga, de 15 cm de
diámetro, de 58,0 m. La tubería de 15 cm (/: 0,030) tiene 30 m de longitud, sufre un ensanchamiento brusco
hasta 30 cm, continuando con una tubería de este diámetro lf :0,020) y una longitud de 180 m hasta el depósito. Una válvula de 30 cm,.¡(: 1,0, está situada a 30 m del depósito. Determinar la presión sobre la superficie
Sol. 0,88 kg/cm2
libre del agua del depósito. Dibujar las líneas de alturas totales y piezométricas.
52.
¿Qué diámetro debe de tener una tubería medio nueva de fundición para transportar 30 l/seg de agua a 21" C a
Sol. 16,5 m
través de 1200 m con una pérdida de altura piezométrica de 20 m? (Utilizar la Tabla 3.)
53.
La bomba.BC transporta agua hasta el depósito -Fy en la Fig. 7-10 se muestra la línea de alturas piezométricas.
Determinar (a) la potencia suministrada al agua por la bomba BC, (b) la potencia extraída por la turbina DE y
So/. 950 CV, 67,3 Cy,89,6 m
(c) la cota de la superficie libre mantenida en el depósito F.
El
114,0 m
54.
A través de una tubería de 5 crn de diámetro circulan 68 g/seg de aire a la temperatura constante de 20' C. La
tubería es usada y el material de fundición. En la sección,4 ta presión absoluta es de 3,80 kglcm2. ¿Cuál será la
presión absoluta 150 m aguas abajo de A si la tubería es horizontal? Ufllizar e : 0,0249 cm.
So/. 3,68 kg/cm'z (ab)
55.
de hierro forjado de 10 cm de diámede agui.s arriba es de 8,40 kg/cm2
y la velocidad media de 12 m/seg. Suponiendo las variaciones de densidad despreciables, ¿cuál-es la caída de pre-
A través de un tramo horizontal de 60 m de longitud de una tube¡ía nueva
tro fluye anhídrido carbónico a 38' C. La presión manométrica en la sección
sión en los 60 m de tubería? (La viscosidad absoluta del
So/.
co2 a 38'c
I
es
l:
ló x l0-? kg seg/m2')
0,123 kglcm2
de 20 cm de altura tiene lugar un flujo en régimen laminar. Suponiendo que la distribución de velocidades viene dada por la ecuación u : 48y(l - 5y), calcular (a) el caudal por
metro de anchura, (ó) el coeficiente de corrección de la energía cinética y (c) la relación de la velocidad media a
Sol. 320 l/(seg m), a : 1,543, 0,67
la máxima.
56.
A través de un conducto de sección rectangular
f,/.
En un ensayo de laboratorio se utiliza una tuberia de plástico de 25 cm de diámetro interior para demostrar el
flujo en régimen laminar. Si la velocidad crítica inferior resultó ser 3,0 m/seg, ¿qué valor tendrá la viscosidad ciSo/. 3,75 x 10-s m2/seg
nemática del líquido utilizado?
58.
Para el flujo laminar en tuberías
f :
64lRE. Mediante esta información, desarrollar una expresión de la veloy otras magnitudes oportunas.
cidad media en función de la pérdida de carga, diámetro
Sol. lt :
59.
gd2h"l32vL
Determinar el caudal en una tuberia de 30 cm de diámetro si la ecuación de la distribución de velocidades
sol. 126 llseg
u2 :70(y - y2), con el origen de distancias en la pared de la tubería.
es
Capitulo
8
Sistemas de tuberías equivalentes, compuestas,
en paralelo y ¡amificadas
SISTEMAS DE TUBERIAS
Los sistemas de tuberías que distribuyen el agua en las ciudades o en grandes plantas industriales
pueden ser extremadamente complicados. En este capítulo solo se considerarán unos pocos casos bajo
condiciones relativamente sencillas. En la mayoría de los casos, el fluido que circula es el agua, si bien
los procedimientos de análisis y resolución pueden aplicarse a otros fluidos. Por lo general, la relación
de longitud a diámetro será grande (véase Capítulo 7, Problema 20) y podrán despreciarse las pérdidas menores.
En los Problemas 18, 19 y 20 se presentará el método de Hardy Cross para analizar los flujos en
redes de tuberías. Los caudales y caídas de presión en los sistemas de distribución muy extensos de las
ciudades pueden analizarse mediante calculadores analógicos.
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES
Una tubería es equivalente a otra tubería, o a un sistema de tuberías, si para una pérdida de carga
dada tiene lugar el mismo caudal en la tubería equivalente que en el sistema de tuberías dado. Frecuentemente, es conveniente sustituir un sistema de tuberías complejo por una sola tubería equivalente.
SISTEMAS DE TUBERIAS COMPUESTAS O EN SERIE, EN PARALELO Y RAMIFICADAS
Un sistema compuesto está constituido por varias tuberías en serie.
Un sistema de tuberías en paralelo está constituido por dos o más tuberías que, partiendo de un
punto, vuelven a unirse de nuevo en otro punto, aguas abajo del primero.
Un sistema de tuberías ramificadas está constituido por dos o más tuberías que se ramifican en
cierto punto y no vuelven a unirse aguas abajo otra vez.
METODOS DE RESOLUCION
Los métodos de resolución implican el establecimiento en número suficiente de un sistema de ecuaciones simultáneas o el empleo de modificaciones especiales de la fórmula de Darcy en las que el coeficiente de fricción depende únicamente de la rugosidad relativa de la tubería. Para el caso dil agua (o
de otros líquidos de viscosidad parecida), dichas fórmulas han sido obtenidas por Manning, Scñoder,
Scobey, Hazen-Williams y otros.
FORMULA DE HAZEN-WILLIAMS
En este capitulo se utilizará la fórmula de Hazen-Williams. La resolución se hará con la ayuda del
Diagrama B del Apéndice, en lugar de utilizar, en la mayoría de los casos, procedimientos algebraicos
más laboriosos. La fórmula que da la velocidad es
V
donde Z
:
velocidad en m/seg, R
:
: 0,8494C1Ro'63S0,s4
radio hidráulico en m, S
115
:
(1)
pendiente de la línea de alturas pie-
I
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES. COMPUESTAS, EN PARALELO Y
I6
RAMIFICADAS ICAP
y ct: coeficiente de la rugosidad relativa de Hazen-williams. Los
dos para Cr se dan en la Tabla 6 del Apéndice'
zométricas
8
valores recomenda-
principal ventaja
La relación entre esta fórmula empírica y la de Darcy se da en el Problema 1. La
relativa'
rugosidad
la
de
únicamente
depende
C,
qu"
coeficiente
el
de la fórmula de Hazen-Williams .,
(mgd)'
facLos
por
día
galones
de
y
millones
en
l/seg
en
expresa
En el Diagrama .8, el caudal Q se
tores de conversión son
I
mgd = 1,54'7 ft3/seg
:
43,656 l/seg
Problemas resueltos
1.
Transformar la fórmula de Hazen-Williams en una del tipo de la de Darcy.
Solución:
V
'Se trene S
- h'L y
R
: dl4 (véase Capítulo
:
O,84g4CtRo'63so'54
7, Problema 2ó). Despejando
I
40 ol Lo'54 v
, o s¿:
tt"
0.g4g4 do.u3 q
o'ots
or
t
t"s
(/-o
I
L V2,
2Sl4lt
.
,L .V'.
- =- 133-4d
t
/' :
rltTgLdorsoVo:.soJ
2rL
¿l
{0.g494tr.8sol
r".t*O"r*=ol
-Clrso
Para incluir el número de Reynolds en la ecuación se multiplica por (v/v)o'tto, y tt obtiene
I
,,
L vz: L
t' :o!.-i'll^,t-r" |
: -1.srouo.,
,,^l : Cl.8sovo.r5oRo.rro(
., 11:'1',=:'"''
J't¿l ,f
sot¡l 4L yutsodfo,rsor
¿l ZX
v2
'
^','o,l^',1^
Se observará que si se omite el lactor 1-o'ots, muy próximo a la unidad, el coeficiente de fricción/t depende
únicamente del número de Reynolds y del coeficiente de rugosidad C, para todos los líquidos cuya viscosidad
no varíe apreciablementc (en tanto por ciento) con los cambios de temperatura. En tales casos, se utilizará un valor medio (o representativo) de la viscosidad, que se supondrá constante en esta fórmula del tipo de la de Darcy.
resolución algebraica y mediante el Diagrama B para (a) el
caudal que circula por una tubería nueva de 30 cm de diámetro con una pérdida de altura piezométrica de 4,30 m en 1500 m de tubería y (b)la pérdida de carga que tiene lugar en 1800 m de una
tubería vieja de fundición de 60 cm de diámetro, cuando el caudal que circula es de 250 l/seg.
2. Comparar los resultados obtenidos por
Solución:
(a)
: 4,30/1500 : 0,00287 y R : dl4 : 7,5 cm.
De la Tabla 6 del Apéndice, C, : 130. De aquí,
Algebraicamente. S
Q
- AV:
jz(0,30)'?[0,8494
x
130(0,075)0'63(0,00287)0's4]
:
0,061 m3/seg
:
61 l/seg
Por el diagrama. El Diagrama B está construido para Cr:100.
D : 30 cm y S : 0,00287 o 2,87 m/1000 m.
Con estos valores. Qtoo
:
48 l/seg (leyendo el nomograma de acuerdo con las instrucciones que se dan
en el mismo).
Al observar la fórmula de Hazen-Williams
ef caudal para C, : I 30 será
Qtn:
se ve
que
Zy 0
(130/100X48) l/seg
:
son directamente proporcionales a Ct. Así,
62,3 llseg
CAP.
8]
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS'
(b)
: 100). e -- 250 llseg.
0,2s0 : ]z(0,60),[0,8494 x 100(0,60/4)0,635'0's4]
Afgebraicamente. (C1
Por ef diagrama. Q
S
3.
It7
:
:
S
y
:
0,00195
250 l/seg, D : 60 cm.
0,002 m/1000 m : 0,002 (del diagrama).
Una tubería usada de 30 cm de diámetro de fundición transporta 100 l/seg de agua. ¿Cuál será la
pérdida de altura en 1200 m de tubería (a) mediante la fórmula de Darcy y (ó) utilizando la fórmula de Hazen-Williams?
Solución:
(o) ho:0,l00lllz(0,30)'z1 :1,413 m/seg. De la Tabla
- : f:':
"d2s
pérdida de carga
(b) Q:
100l/seg
y C, : 119. Qtoo:
Del Diagrama B,
S:
:0.02601-2-09 {l'113F
0.30
(100/110)100
8,4 m/1000 m
3 del Apéndice,.f :0,0260.
:
29
:
10,6 m
82,8 l/seg.
y pérdida de carga :
La coincidencia de resultados es notoria.
8,4
x
1,2
:
10,1 m.
La experiencia y buen juicio en la elección de C, conducirán a resultados satisfactorios para el caso en
que circula agua o bien líquidos de viscosidad parecida.
4.
Para una pérdida de carga de 5,0 m/1000 m y utilizando C, : 100 para todas las conducciones,
¿cuántas tuberías de 20 cm son equivalentes a una de 40 cm?, ¿y a una de 60 cm?
Solución:
Mediante el Diagrama B, para
s:
5,0 m/1000
m: e
para tubería de 20 cm
:
22 llseg
Q para tubería de 40 cm : 140 l/seg
Q para tubería de 60 cm : 380 l/seg
Por tanto, tomamos 140122 o bien 6,4 tuberías de 20 cm, equivalentes hidráulicamente, a una de 40 cm de
la misma rugosidad relativa. Del mismo modo,380122 ó 17,3 tuberías de 20 cm son equivalentes a una de 60 cm
para una pérdida de carga de 5,0 m/1000 m o para cualesquiera otras condiciones de pérdida de carga.
5.
Un sistema de tuberías en serie está constituido por un tramo de 1800 m de tubería de 50 cm, otro
de 1200 m de 40 cm y 600 m de 30 cm. Todas las tuberías son nuevas de fundición. Hallar a partir
del sistema (a) la longitud equivalente de una tubería de 40 cm y (á) el diámetro equivalentJ si la
longitud de la tubería fuera de 3600 m.
Solución:
(a)
Utilícese Cr : 130 para tubería nueva de fundición.
Como la magnitud hidráulica común para un sistema de tuberías en serie es el caudal, supóngase que éste
es de 130 l/seg (cualquier otro valor serviría). Para utilizar el Diagrama,B, se cambia
Q,ttoen eroo, es decir,
Qtoo:
(100/130X130)
:
100 l/seg
Sso: 0,93 m/1000 m y la pérdida de carga: 0,93 x 1,8: 1,675 m (15,0%)
: 2,62 mll0D} m
pérdida de carga : 2,62 x 1,2 : 3,141 m (25,2%)
S¡o: 10,60 m/1000 m
pérdida de carga: 10,60 x 0,6: 6,360 m (56,8%)
Para Q: 130 l/seg: Pérdida de carga total: ll,lj6 m (100,0%)
S+o
Latuberíaequivalentede40cmdebetransportarl30l/segconunapérdidadecargadell,lT6m(C
S+o
Y LB:
4260 m.
:
2,62 m/1000 m
:
pérdida de carga en m
longitud equivalente en m
ll.176
LE
:130).
118
(á) Los 3600 m de tubería, (Cl :
5"
Y
6.
RAMIFICADAS [CAP. 8
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y
130), deben
transportar 130 l/seg con una pérdida de carga de 11,176 m.
pér9ida.de_carsa en
_
longitud en
en el Diagrama .8, utilizando
m-
m
Qtoo:
:*6:3,10
3600
100 l/seg, D
:
m/1000 m
38 cm (aproximadamente).
Hallar la longitud equivalente, en tubería de 15 cm, del sistema mostrado en la Figura 8-1.
Coeficientes K
Filtro o alcachofa B
Codos C.]C, de de 30 cm (cada
K
:
8,0
uno) :
0,5
TeDde30cm
45 m
-
30 cm
DU
Válvula .E de 30 cm
Crtz G de 30 cm x 15 crn (x Vltl2g)
Aparato de medida 11 de 15 crn
Codos "/. rK. de 15 cm (cada uno)
= 0,025) <
Válvula
Fig.8-l
I
de 15 cm
:
:
0,7
1,0
:
:
9,7
:
0,5
6,0
:10
Solución:
Este problema se resolverá aplicando la ecuación de Bernoulli ent¡e A y M. tomando como plano de referencia de cotas el horizontal que pasa por M, como slgue
(0
+ 0 + ¿)-
Codos
(8,0
+2x
0,5
(0,7
De aquí.
h:
+
0,7
+
+
6,0
1,0
+
0.025
45 V?^
I o:o)-;
Codos Desagüe
0,5 * 3,0 + 1,0 + 0,020 x
+2x
]Lt!it:(o+o+o)
0,15
29
t/2
_ v?.: 16.6
.,,v2
vl"0 .. 15.7'^t::
, ,'.| + 15.7)1"-s
;ls
2g
29
29 ¡1a,a5 ló
29
14.4511^
Para cualquier valor de h, la pérdida de carga es 16,6(Vl5l2g). La pérdida de carga en Lum de tubería de
15 crn es f(LEld)(V?sl2g). Igualando los dos valores,
t6.6
rr2
Y 1<
á
:
f
- LÉ
0.020
f/2
Y 15
E
!
L¿:
124'5 m
""
La altura de velocidad puede'suprimirse en esta igualdad. Debe recordarse que una equivalencia hidráulica
exacta depende de
7.
f,
que no se mantiene constante para grandes intervalos de velocidades.
Para el sistema de tuberías en serie del Problema 5, ¿cuál será el caudal que circula para una pérdida de carga total de 2I,0 m, (a) utilizando el método de la tubería equivalente y (ó) mediante el método del porcentaje?
Solución:
(a\
Según el Problema 5,4260 m de tubería de 40 cm son equivalentes al sistema de tuberías en serie. Para una
pérdida de carga de 21,0 m
S+o
De aquí,
:2114260
:
4,93 m/1000
Qtto:
m y del Diagrama B, Qrco:
(130/100)140
:
140 l/seg
182 l/seg
de las pérdidas de carga para un caudal supuesto p. Aunque
se dispone de estos valores por el Problema 5, se van a calcular de nuevo, lo que servirá para comprobar la
solución. Suponiendo Qtto:65 l/seg, Qrco: (100/130)65 : 50 l/seg, y a partir del Diagrama 8,
(b) El método del porcentaje requiere el cálculo
CAP.
8]
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS
Sso
S¿o
:
:
S¡o:
119
m y pérdida de carga : 0,27 x 1,8 : 0,512 m (15,7 %)
m y pérdida de carga: 0,77 x 1,2:0,922 m (28,5%)
m y pérdida de carga :10,70 x 0,6: 1,800 m (55,8%)
Para Q:65 l/seg: Pérdida de carga total:3,234 m (100,0%)
0,27 m/1000
0,77 m/1000
10,70 m/1000
Los porcentajes son del mismo orden que los obtenidos en el Problema 5. Aplicando estos porcentajes
a la pérdida total de carga dada de 21,0 m,
se obtiene
Hrso:21 x15,7)(:3,30m, 5r: 3,30/1800: 1,83m/1000m, Q:l30ll00xl42:185 liseg
Huo:21 x 28,5\: 6,00 m, S: 6,0011200: 5,00 m/1000 m, Q: l30ll00 x 140: 182 l/seg
Ht-to:21 x 55,8 %: 11,70 m, S : 11,701600 : 19,50 m/1000 m, Q: l30ll00 x 139 : 181 liseg
El cálculo con uno de los diámetros es suficiente para calcular el caudal Q, pero los demás sirven de comy dan la seguridad de que no se han cometido equivocaciones.
probación
8.
En el sistema mostrado en la Fig. 8-2, cuan-
do el caudal desde el depósito ,4 al nudo
principal D es de 140 l/seg, la presión en D
es 1,40 kglcrn2. Se quiere aumentar el caudal hasta 184 l/seg, con una presión en D de
2,80 kglcm2. ¿Qué diámetro debe de tener
la tubería de 1500 m de longitud, que ha de
ponerse entre -B y C en paralelo (dibujada
a trazos en la figura), con la existente de
30 cm de diámetro para satisfacer las con-
C¡
=
130
Fig.8-2
diciones exisidas?
Solución:
La elevación del depósito I puede determinarse a partir de las condiciones iniciales. Del Diagrama B,
para Q
:
t40 l/seg,
S¿o
S¡o
:
-
4,8 m/1000
20,0 m/1000
m,
m,
pérdida de carga : 4,8 x 2,4
pérdida de carga : 20,0 x 1,5
Pérdida de carga total
: ll,5 m
: 30,0 m
: 41,5 m
La 1ínea de alturas piezométricas cae ctesde 41,5 m hasta una elevación de 14,0 m por encima de D (equivalenestá a (41,5 + 14,0) : 55,5 m por encima de D.
Para una presión de 2,80 kglcm2,la elevación de la línea de alturas piezométricas sobre D será de 28,0 m, de
forma que la altura de carga disponible para el caudal de 184 fseg es de (55,5 - 28,0) :27,5 m.
En la tuberia de 40 cm, Q : l84l/seg, ^S : 8,2 m/1000 m, pérdida de carga :8,2 x 2,4 : 19,7 m. De aquí,
tes
a 1,40 kglcm2). Por tanto, el depósito A
I y C:27,5 - 19,7:7,8 m
Para la tubería existente de 30 cm, S : 7,8/1500 : 5,2 m/1000 m, Q -- 68,0 l/seg y el caudal en la tubería
nueva, puesta en paralelo, será (184,0 - 68,0) : 116,0 l/seg con una altura de carga disponible (caída de la línea
de alturas piezométricas) de 7,8 m entre B y C.
Pérdida de carga entre
.S
:
7,8/1500
El Diagrama B da D :
:
5,2 m/1000
m
y
Qrco:
(100/130)116
:
89,3 l/seg
34 cm aproximadamente (se toma la tubería de diámetro normalizado inmediato su-
perior).
9.
En el sistema de tuberías en paralelo de la Figura 8-3 la altura de presión en I es de 36,0 m de
agua y la altura de presión en ,E de 22,0 m
de agua. Suponiendo que las tuberías están en un
plano horizontal, ¿qué caudal circula por cada
una de las ramas en paralelo?
24OOn-25
cmrCr = 100
Fig.8-3
I2O
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y
RAMIFICADAS
TCAP.
8
Solución:
Lacaida de la línea de las alturas piezométricas entre A y Ees (36 - 22): 14 m, despreciando los pequeños valores de las diferencias de las alturas de velocidad. Los caudales pueden conocerse, sin más, a partir de
las pendientes de las líneas de las alturas piezométricas, que se determinan fácilmente. Así, mediante el Diagrama B,
:
:
:
S2s : 1412400 :
m, Qzo:
m, Qzo:
5,85 m/1000 m, Qzs :
1413600
3,90 m/1000
Szo: l4ll2Q0
11,70 m/1000
.S3o
Q
10.
total:
58
l/seg,
(42,0 "/;)
35 l/seg, (2s.4:,';)
45 llseg, (32,67;)
138 l/seg, (100,0:,")
Si en el Problema 9 el caudal total Q fuera de 280 l/seg. ¿qué pérdida de carga liene lugar enffe A
en las ramas del circuito? Utilizar dos métodos, el del porcentaje
yEy cómo se reparte el caudal
y el de la tubería equivalente.
Solución:
En un sistema de tuberías en paralelo la magnitud hidráulica común es la perdida de carga entre los nu(lE). La resolución se llevará a cabo como si no se hubiera resuelto el Problema 9.
Al suponer una pérdida de carga entre A y E de 8,0 m, los caudales para la pérdida de carga supuesta
pueden obtenerse a partir del Diagrama B.
dos
: 8/3600 :2,22 mll000 m, Qx : 45 liseg. (42,8 ''1,)
: 8/1200 : 6,67 m/1000 m. Qzo: 27 l,tseg, (25.7 ",,¡
33 l,iseg. (31.5',,)
Szs :812400: 3,33 m/1000 m, Qzs :
Q total: 105 l/seg, (100.0:1")
S¡o
Szo
(:a)
Método del porcentaje.
El caudal en cada rama del circuito será un porcentaje constante del clud¿l total ¿ trar'és del circuito
para un intervalo razonable de las pérdidas de carga entre los nudos. Los porccntajcs cncontrados coinciden razonablemente con los tabulados en el Problema 9 (dentro de la precisirin obtenida en el Diagrama B y con la regla de cálculo). Aplicando los porcentajes al caudal dado de 280 l,'seg,
: 42,8\ x 280 : 120,0 l/'scg, S¡o : 15,0 m.il000 m, (H,,)n-r':
Qzo : 25,7)l x 280 : 72,0 l,"seg, Szo : 43,0 mil000 m, (Htl¡-r,:
Qzs:31,5\ x 280: 88,0 liseg, Szs:22,0 m,'1000 m, (H"ln ':
O:280,0 lisee
Qto
-s4 m
-52 rn
53 m
Este método da una comprobación de los cálculos, como se deduce dc los tres valores de la pérdida
de carga obtenidos. Es el método de cálculo recomendado.
(b)
Método de la tubería equivalente (utilizar cl diámetro dc 30 cm)'
Deben calcularse los caudales para una pérdida de carga supuesta, como en cl método anterior. Empleando los mismos valores, para una pérdida de carga de 8,0 m, el caudal total a través del sistema de tuberías en paralelo es de 105 l/seg. Una tubería equivalente daría el mismo caudal p¿rra una pérdida de carga
de 8.0 m, es decir,
Q:105
Usee,
H¿:
8,0
m Y
S¡o
:
11,8 m/1000
m. obtenida del Diagrama .8.
S : hlL, 11,8 : 8,0 mlL, m, y Ln -- 678 m (de tubería dc 30 cm. Cr : 100).
Para el caudal dado de 280 l¡seg, S¡o : 80 mi 1000 m y la pérdida de carga enlre A-E: 80 x 678¡'1000
54 m. Con esta pérdida de carga pueden obtenerse los valores de los tres caudales.
De
:
11.
Para el sistema mostrado en la Fig. 8-4, (u) ¿cuál es el caudal si la caída de la línea de alturas piezométricas entre A y -B es de 60 cm? (ó)¿Qué longitud de una tuberia dc 50 crn (Cr : 120) es equivalente al sistema ,4,8?
CAP.
8]
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS
t21
Solución:
(a) La solución
más directa puede obte-
nerse suponiendo una caída de la línea
de alturas piezométricas (pérdida de
carga) entre 14 y Z y sacar de esta hi-
A 3ooom 60cmD W
Z ztoo^ 50cmD B
900m-40cmD
Ct
pótesis una conclusión lógica.
Por ejemplo, suponiendo una pérZ de 9 m, a
,S4o
:
:
9/1500
9/900
:
:
6,0 mi1000 m
10,0 m/1000 m
t Qn: 0201100)72 86,4 l/seg, (26,4%)
! Q+o: 0201100)200 :240,0 llseg, (13,6%)
Q total : 326,4 Usee, 000,0 %)
Ay B para el caudal total
Ahora puede calcularse la pérdida de carga ent¡e
el Diagrama ,8, se utiliza Qrco
a l[/,
DeWaZ,
DeZaB,
De A
:
0001120)326,4
:
: 2.6 m/1000 m, Hr: 2,6# :
(el supuesto)
6,5 m/1000 m, Ht :6,5ffi:
Pérdida de carga
de 326,4llseg. Al emplear
272,0 Useg.
7.8 m,
(24,0%)
9,0 m,
(28,0%)
15,6 m,
(48,0%\
Seo
Sso :
120
Fig.8-4
dida de carga entre W y
partir del Diagrarna B,
s3o
-
total (para Q:326,4l/seg)
:
32,4 m, (100,0%)
Aplicando estos porcentajes a la pérdida de carga dada de 60 m, se obtiene:
:
x 24%: 14.4 m.
#:
"..
(Ht)w-z (real) : 60 x 28 % : 16,8 m;
(H")"-" (real) : 60 x 48 'l: 28,8 m, Sro : # :
2400
(Hr)n-w (real): 60
4,8 m/1000 m;
12 m/1000
m.
Del Diagrama B, el caudal en la tubería de 60 cm será (120/100X380) : 456 l/seg.
Como comprobación, en la tubería de 50 cm el caudal será e: (120/100X380) : 456 17r.t.
Este caudal se divide en el circuito VI/Z enlos porcentajes calculados antes, es d,ecir,26,4ly 73,6/".
(b)
Utilizando la información anterior para el sistema e¡tre A y 8, un caudal de 326,4 llsegproduce una caída
en la línea de alturas piezométricas de 32,4 m. Para este caudal de 326,4 l/seg y en una tubería de 50 cm,
C,
:
r20
Sso
12.
:
6,0 m/1000
m: 32,4lLn
o
En el sistema de la Fig. 8-5, determinar
las alturas de presión en A y .B cuando
la bomba manda un caudal de 140l/seg.
Dibujar la línea
L¿,:
bien
5400 m
| 52.5 m
N
t\
\
de alturas piezométricas.
128,5 m
Et
Solución:
Se determina la tuberia equivalente al
sistema en paralelo entre BC, en tubería de
40 cm de diámetro, C1 : 100. Una vez determinada, se tiene únicamente una tubería
de la misma rugosidad relativa, con la que
los cálculos son sencillos para cualquier
condición de flujo. Suponiendo una caída
en la línea de alturas piezométricas de 7 m
entre -B y C, se obtienen los siguientes valores, mediante el Diagrama ,8,
s2s:713000:2,23 m/1000
s2o:713300 :2,12 m/1000
El en
)/= t5,0m
m
40cnDl
Ct=100 B
El
15.0 m
Fig.8-b
:
:
o total :
m,
m,
Qzs
Qzo
27'0 Useg
l4'0
Useg
41,0 l/seg
ó5,0 m
I22
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIvALENTES, coMPUESTAS, EN PARALELo Y
Paru
Q:
yD
41,0 l/seg
:
40 cm (C,
:
100), S¿o
:
0,55 m/1000
RAMIFIcADAS [cAP.
m:7,0lLn y La:
El caudal enviado por la bomba al depósito es de 140 l/seg. Para una longitud de (12.700
de tuberia equivalente de 40 cm, la pérdida de carga ertre
S¿o
-
5,00 m/1000
m,
HL
:
AyC
8
12.700 m.
+ 4800) :
17.500 m
será
5,00(17.500/1000)
:
87,5 m
Por tanto, la altura piezométrica en I será (ó5,0 + 87,5) : 152,5 m, según se muestra en la figura. La
dadeAaA:5,00(4800/1000) :24,0mylaelevaciónen.Bserá(152,5-24,0):128,5m.
caí-
Altura de presión en A : 152,5 - 15,0 : 137,5 m
Altura de presión en B: 128,5 - 15,0: 113,5 m
13.
En la Fig. 8-6, ¿qué sistema tiene más capacidad, el ABCD o el EFGH?
(C
|:
120 para todas las
tuberías. )
2700m-40cmD
1800m-30cmD
3300m-45cmD
900m-25cmD
1500m-20cnD
750m-25cmD
2100m-25cmD
Fig. 8-6
Solución:
Suponiendo Q
:
Qrco: (100/120)90 :
S+o :
1,6 m/1000 m, Ht : 1,6(2700/1000) : 4,3 m
S.o : 6,5 m/1000 m, Ht : 6,5(1800/1000) : 11,7 m
Szs : 15,0 m/1000 m, Ht : 15,0( 900/1000) : 13,5 m
Para Q : 90 l/seg, Pérd. Carga total : 29,5 m
90 l/seg en ABCD, mediante el Diagrama B, cort
75 llsee,
Para hallar el porcentaje de un caudal cualquiera Q, que circula por cada una de las ramas del circuito ,FG,
y G de 8,0 m. Entonces,
en el sistema EFGH, se supone una pérdida de carga entre F
:
:
s
S:o
Su
8/1500
8/2100
:
:
5,33 m/1000
3,81 m/1000
m I Qzo :
m y Qzs:
Qroo total :
24,0 llseg, (40,7 %)
35,0 l/seg, (59,3%)
59,0 l/seg, (100,0 %)
Para dictaminar sobre la capacidad de cada uno de los sistemas pueden seguirse varios caminos. Mejor que
se podrían calcular las pérdidas de carga producidas por un caudal de 90 fseg, por
ejemplo, a través de cada uno de los sistemas. El sistema que dé lugar a una pérdida de carga menor sería el de
mayor capacidad. O bien podría determinarse el caudal Q que circula por cada uno de los sistemas para la misma pérdida de carga. El sistema por el que circule un caudal mayor sería el de mayor capacidad. En el caso
presente, se va a comparar la pérdida de carga de 29,5 m, que tiene lugar en ABCD, para Q : 90 l/seg (Qno :
75 l/seg), con el valor de la pérdida de carga obtenido en el sistema EFGH, para el mismo caudal.
utilizar tuberías equivalentes
:
m, (H¿)¡r : 3,0 m.
40,7 % x 75 : 30,5 l/seg, Szo : 8,7 m/1000 m, (HL)re :
59,3% x 75 : 44,5 Ilseg, Szs : 6,2 m/1000 m, (II)rc :
75 l/seg, S:s : 15,5 m/1000 m, (Ht)ea: 11,6 m.
Luego la pérdida de carga total de E a H : 27,7 m.
(a) Paru Qot:
(b) Para Qro :
opara Qtt :
(c) Para Qtr:
75
l/seg,
S+s
0,90 m/1000
Por tanto, el sistema EFGH tiene mayor capacidad.
13,1 m,
13,0 m.
RAMIFICADAS
cAP.
8]
14.
En la Fig. 8-7 el caudal que sale del depósito I es de 430 l/seg. Determinar la potencia extraída
por la turbina DE s\la altura de presión en.E es de -3,0 m. Dibujar las líneas de alturas piezo-
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y
123
métricas.
Solución:
El análisis del sistema ramificado debe concentrarse sobre el punto C. En primer lugar la suma de caudales
que llegan a C ha de ser igual a la suma de caudales que salen de C. En segundo lugar, la elevación de la línea
de alturas piezométricas en C es, por 1o general, la clave de la solución.
E1.66,2
,nú
a,
Cr :
.tü
-ñ
3g,o
120 (pa¡a lodas las tuberias)
E
-
/-u,
Fig.8-?
El,24.o m
E|.75
,,,0
cm,
^
Para calcular la altura de la línea de alturas piezométricas en C se supone que la pérdida de carga de A a C
es de 7,0 m. Entonces,
3::
:
ií1i33
1,3! ;ry1333
=
Q:
il,
3:::3i3'l,iz?', ,1?Ít;l
Q total:506 l/seg, (100,0%)
Aplicando estos porcentajes al caudal dado de 430 l/seg de A a C, teniendo en cuenta que para Cr
Í001120)430 : 358 l/seg,
Qso
Qso
: l5l Useg' Sso :
: 207 UseE, Soo :
2,00 m/1000
1,50 m/1000
Así, la elevación de la línea de alturas piezométricas
la línea de alturas piezométricas
cae
m, Ht: 3,6 m
m, Ht: 3,6 m (comprobación)
en C : 66,2 - 3,6 : 62,6 m. Con
:
100,
esta información,
2,8 m de -B a C y el flujo circulará desde .B hacia C. De aquí,
: 2,812400 -- 1,1'7 m/1000 m, Qtoo.¡ : 340 l/seg, Qtzo> -- (1201100)340 : 408 l/seg
caudal que sale de C: caudal que entra en C
Además,
Qc-o:430 + 408 : 838 l/seg
para C, : 120, y para Ct : 100, Q : 698 l/seg.
Por tanto, Srs : 4,5 m/1000 m, (H)c-o: 13,5 m, y la elevación de la línea de alturas piezométricas et D :
62,6 - 13,5 : 49,1 m.
1000(0,838x49,r - 2r,0)
: 314 CV.
Potencia extraída (CV ) :
Sts
75
15.
En la Fig. 8-8 la válvula,Festá parcialmente cerrada, lo que produce una pérdida dr carga de 1,00 m
cuando el caudal que circula a través de ella es de 28 l/seg. ¿Cuál es la longitud de la tubería de
25 cm que parte del depósito ,4?
|
7o.on
;i.ñlafu"
c,_-ro_i
'q
Fig.8-8
-?
*9
M
l
6,0 m
124
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y
RAMIFICADAS [CAP. 8
Solución:
Para DB el caudal Q : 28 l/seg (C, : 80) y para C, : 100, Q : (100/80)28 : 35,0 l/seg, y S3e : 1,50
m/1000 m.
Pérdida total de carga de D a B:1,50(300/1000) + 1,00 : 1,45 m, lo que da una elevación de la línea
de alturas piezométricas en .B de 4,55 m (tomando elevación en E : 0).
ParaBE,S30:(4,55-0,0)/1500:3,03m/1000myQ:52 llseg(Cr:100),paraC':120,Q:
62,4 llseg.
ParaAB,elcaudalQ:62,4-28,0:34,4 llsegYSzs:3,50m/1000m(porelDiagrama-B).
Por tanto, de S
16.
:
hlL,
L:
hls
:
(0,85/3,50)1000
:
243 m.
Se han de bombear 55 l/seg de agua a través de 1200 m de una tubería nueva de fundición hasta
un recipiente, cuya superficie libre está 36 m sobre el nivel del agua que se bombea. El coste anual
del bombeo de 55 l/seg es de 16,40$ por m de.carga contra la que se bombea, y el coste anual de
la tubería es el 10 /o de su precio inicial. Suponiendo que el precio de la tubería de fundición en
el lugar de emplazamiento es de 140,00$ por tonelada, para el tipo B (50 m de carga) de tubería,
que tiene los siguientes pesos por metro de longitud: de 15 cm, 49,5k9; de 20 cm,71,0 kg; de
25 cm,95,0 kg; de 30 cm, 122,0kg y de 40 cm, 186,0 kg. Determinar el diámetro de tubeiía más
económico para esta instalación.
Solución:
Se hacen con detalle los cáleulos para la tubería de 30 cm y los resultados para todas las tuberías se resumen en la tabla que se da más abajo. La pérdida de carga en la tubería de 30 cm, por el Diagrama I, teniendo en
(100/130)55
42,3 llseg, será 2,10 m/1000 m.
100,
cuenta que para C1
:
:
Q:
De aquí, altura total contra la que se bombea: 36 +
1200(2,10110000)
:
38,5 m.
Coste de bombeo : 38,5 x 16,40$ : 631$ por año
Coste de la tubería a pie de obra : 140$ x 1200 x 12211000: 20.500$
Coste anual de la tubería : l0% x 20.500$ : 2050$
Tabulando estos resultados para su comparación con los costes de las tuberías de los otros diámetros considerados, se obtiene la siguiente tabla:
D
s
Pérd. Carga
cm
m/I000 m
enm
bombeo:36+HL
l5
6s.0
78.0
I14.0 m
20
25
30
16.2
19.5
)l
2.5
40
0.6
0.7
55,5 m
42.4 m
38.5 m
36,7 m
o.+
El diámetro más económico
17.
Altura total
es
el de 20
Coste anual para 55 liseg
+ Coste tubería : Total
de
Bombeo
I
870 $
910
694
ó31
602
S
190
1600
2050
3130
830
2700
2100
2294
2681
3732
l
$
cm.
Cuando las superficies libres de los depósitos que se muestran en la Fig. 8-9(a) se mantienen a una
elevación constante, ¿qué caudales tienen lugar?
290
EI
57,0 m
El
30,0 m
(ch."
Fig. E-9(o)
Q^,,",1
Fig.8-9(ü)
CAP.
8]
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS
125
Solución:
Como la elevación de la línea de alturas piezométricas en C no puede determinarse, por ser desconocidos
todos los caudales, el problema se resolverá por tanteos. En el primero es conveniente elegir como altura piezométrica en C, 57 m. Con esto, el caudal que sale o entra en el recipiente -B será nulo, lo que reduce el número de
cálculos.
Para una altura piezométrica en C
560
536
:
:
(64
(57
-
:
51)12400
30)11200
57,0 m,
: 2,91 m/1000 m y Q :290
:22,5 m/1000 m y Q:150
l/seg hacia C
l/seg desde C
De los valores de estos caudales se infiere que la altura piezométrica en C debe ser mayor, de forma que se
reduzca el caudal desde l, aumente el que va a D y circule cierto caudal hacia B. Con el fin de <horquillar> la
verdadera altura piezométrica de C, se supone ahora igual a 60 m. Así, para una elevación en C : 60,0 m,
560:
:
S4o
,S30:
(64
(60
(60
-60\12400:1,67 m/1000 m y Q:222 l,tseghacia
- 57]l1200: 2,50 m¡1000 m y Q: 98 l/seg desde
- 30¡,i1 260:25,0 mr'1000 m V Q:156 l/seg desde
C
C
C
El caudal que sale de C es de 254 liseg, mientras que el caudal que llega a C es de 222 llseg. Mediante
la Fig. 8-9(ó) puede obtenerse una tercera aproximación mucho más cercana a la verdadera, uniendo mediante
una recta los puntos R y S. La recta así dibujada corta al eje vertical, trazado Por (Qi,n"¡, - Ou..o") : 0, en
no varían en reaQ¡^"¡u : 235 l/seg (apreciado por el dibujo a escala). Como, además, los valores representados
lidad linealmente, puede utilizarse para el caudal que va hacia C un valor ligeramente mayor, por ejemplo,
245 llseg.
Para Q:245 llsel (hacia C). Soo:2,00 m/1 000 mt
piezométrica en C : (64.0 - 4,8) : 59,2 m. De aquí,
Sas
-- 2,20,'1200 :
S3o:
29,2,ir200
:
(H)t-c:2,00 x
m, a :
m, Q :
Q total desde C:
1,83 m/1000
24,30 m/1000
2400i1000:4,8 m y Ia altura
80 liseg desde C
155 l/seg desde C
235 liseg
Estos dos caudáles son 1o suficiente parecidos para no requerir cálculos posteriores. (Para una altura piezométrica en C de 59,5 m, da para los caudales que entran y salen de C valores iguales aproximadamente a
238 l/seg.)
18.
Desarrollar la expresión empleada en el estudio de los caudales en redes de tuberías.
Solución:
El método de cálculo. desarrollado por el profesor Hardy Cross.
consiste en suponer unos caudales en todas las ramas de la red y a continuación hacer un balance de las pérdidas de carga calculadas. En el
lazo o circuito único, mostrado en la Fig. 8-10, para que los caudales
en cada rama del lazo sean los correctos se habrá de verificar
(H),tnc -- (.Ht)nc
o
(H),c,Bc
- (H),toc: 0
(/)
['ig. 8-I
Para aplicar esta expresión, la pérdida de carga en función del caudal ha de ponerse en la forma
el caso de utilizar la fórmula de Hazen-Williams, la expresión anterior toma la forma
H":
0
Hr : kQ . En
kQ1'8s.
Como se suponen unos caudales Q", el caudal verdadero Q en una tubería cualquiera de la red puede expresarse Q: Q. * A, donde A es la corrección que ha de aplicarse a Qo. Entonces, mediante el desarrollo del
binomio,
kqr'ss _ k(e.+ a)r'ss - k(Q:'"t + 1,850l'Es-14+ " ')
Se desprecian los términos
a partir del segundo por ser pequeño A comparado con Qo.
Para el lazo o circuito mostrado en la figura, al sustituir en la ecuación (1) se obtiene
k(Q:'"' + 1,85 03'85 g - k(Q|,8s + 1,85 Q!,8s A) : 0
Despejando A,
k(Q:'"'- Ql,"') +
1,85k(03'8s
.
k@:'8s
+w
^
-
t.85k(03'8s
- Qp.')A:0
0r'8s)
-
e3,")
126
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y
RAMIFICADAS [CAP. 8
En general, para un circuito más complicado, se tiene
Pero kQ!'8s
:
Hr
!
A:- t'tt' 2 kQ|'"t
:
HJQ". Por,u.t,o,
2 (Ht)
n- 1,85 > (HLIQ.)
kQ1'"'
(r)
-k0:'':-
oara cada lazo de la
red
@l
Al utilizar la fórmula (4) debe ponerse cuidado en el signo del numerador. La expresión (1) pone de manifiesto que los caudales que coinciden con el giro de las agujas de un reloj producen pérdidas de carga en el
mismo sentido, y que los caudales no coincidentes con el giro de las agujas de un reloj producen caídas de carga también en sentido contrario. Es decir, el signo menos se asigna a todas las magnitudes hidráulicas cuyo sentido sea cont¡ario al de las agujas de un reloj, o, lo que es lo mismo, al caudal Q y a las pérdidas de carga H".Para evitar errores en los cálculos debe observarse siempre este convenio de signos. Por otra parte, el denominador de (4) tiene siempre signo positivo.
En los dos problemas siguientes se ilustra el procedimiento de aplicación de la ecuación (4)
19. El sistema
de tuberías en paralelo, mostrado en la Fig. 8-11, es el mismo que aparece como parte
del sistema del Problema 1 1 . Determinar, para Q : 456 l/seg (caudal total), los caudales en las dos
ramas del circuito utilizando el método de Hardy Cross.
Solución:
Se supone que los caudales Qzo y Q+o son iguales, respectivamente, a 150 l/seg y 306 l/seg. Los cálculos se realizan en la
tabla que sigue (obsérvese que se ha puesto - 306 l/seg), procediendo asi: se calculan los valores de S mediante el Diagrama B,
o por cualquier otro procedimiento, luego Hr: S x Z y a continuación se determinan HrlQ.. Se notará que cuanto mayor sea
IFl. más alejados de los correctos estarán los caudales Q. (Los
valores de Q se han elegido deliberadamente distintos de los correctos para que den lugar a valores grandes deL H" y así ilus-
trar el procedimiento.)
Hr,
^
2s,5
- 14,4
>: +11,1
L:-
1,8s
Entonces, los valores de Q, serán (150,0
de nuevo el oroceso de cálculo
2H"
-t (HLIQ)
HrlQo
0, 1 70
0,04ó
0.216
+11'l :-27.8r/sep
1,85(0,216)
- 27,8): 122,2 llseg y (-306,0 - 27,8):
HL
H"IQ,
16.5
0. I 35
1',7
0,05
- ,t
t: -0.6
-333,8 l/seg. Repitiendo,
r
0.186
No es necesario hacer una nueva aproximación ya que en el Diagrama ,B no puede conseguirse una mayor
precisión de 3,0 l/seg aproximadamente. Teóricamente,2H" debería ser igual a cero, peto esta condición se obtrene muy raramente.
SeobservaráqueenelProblema 11 elcaudalquefluyeporlatuberíade30cm erael 26,4\de456 llseg,
es decir, 120,4 llseg, lo que constituye una comprobación satisfactoria.
CAP,
8]
20.
El agua fluye a través del sistema de tuberías mostrado en la Fig. 8-12, en el que se conocen ciertos
caudales, como se indica en la figura. En el punto A,la elevación es de 60,0 m y la altura de presión de 45,0 m. La elevación en 1es de 30,0 m. Determinar (a) los caudales a través de la red de
tuberías y (b) la altura de presión en L (Utilizar C, : 1gg¡.
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS
127
Solución:
(a) El método de cálculo puede resumirse como sigue:
(1) Se suponen una serie de caudales iniciales, procediendo circuito por circuito ----en este caso
r, rr, rrr y
Hay
que poner cuidado en que los caudales que llegan a cada nudo sean igual en valor a la suma
de los caudales salientes del mismo (principio
de continuidad).
Para cada lazo se calcula la pérdida de carga en
cada una de las tuberías del circuito (analíticamente, por el Diagrama .B o bien mediante una
regla de cálculo hidráulica).
rv-
i;i;;;;";;;;;;;.";;'.r
(2)
(3)
Se suman las pérdidas de carga en cada
'?
A
9oo.
-
". B
50
I
I
F
(6)
c-
II
D
80 | 'seg
40 l/seg
->
:l¡ól
60i:g
900m-40cm
en cuenta la colocación correcta de los signos
(si la suma de las pérdidas de carga fuera nula,
l{\
50
{l
t
E
circuito
los caudales Q, supuestos serían los correctos).
Se suman los valores de HJQ., calculando a
continuación el término A de co¡rección de los
caudales en cada Lazo.
Se corrige el caudal en cada una de las tuberías
en A, con lo que se aumenta o disminuye en esa
cantidad cada caudal Q supuesto. Para los casos en que una tubería pertenece a dos circuitos, debe aplicarse como corrección al caudal
supuesto en esta tubería la diferencia entre los
dos A (véase la aplicación siguiente).
Se continúa de forma análoga hasta que los va-
-
120 l/ség
F
en el sentido de las agujas de un reloj, teniendo
(4)
9oo.
160 l/seg
;
I
D
+
100 l/seg
E
I
E
I
:
G
III
I
I
H
80 | seB-
40 llse9
900m-30cm
900m-40cm
T
\
6o
80 l/seg
,.
,rC*
Fig.8-12
lores de los A sean despreciables.
Tramo D, cm
(supuesto)
AB
50
900
160
BE
40
40
60
t200
40
EF
FA
900
1200
s
Qt,llseg
L,M
-80
-240
HL
Hu
m/1000 m
1,980
0,600
- r,710
-2,304
2,20
0,50
1,90
- 1,92
>,
BC
CD
50
900
r20
40
1200
80
DE
30
900
EB
40
1200
-60
-40
-4,30
FE
EH
40
30
40
40
1,90
2,00
HG
GF
ED
DI
IH
HE
30
30
30
30
1,30
1,90
-
0,50
900
8C
1200
40
900
1200
-80
- r,80
- 6,50
60
40
4,30
-+u
-40
-2,00
-2,00
900
1200
900
t200
-
160
m
: -r.434
A
Q,
0,0124
0,0150
0,0214
0,0096
Qz
+ 3,3
+ ??-15 1r:+RO
+ 3,3 - (24,2): -10,9
+
r73,3
48,0
-
90,9
-226.7
0.0584
1,170 0,0098
2,t60 0,0270
-3,870 0,0645
-0,600 0,0150
X : -1.140 0,1163
1,710 0,0214
2,400 0,0600
- r,620 0,0203
-9,800 0,0ó13
E : -7,310 0,1630
+51
+51
t25,3
+s,3
-49,8
-48,0
3,870
2,400
- 1,800
-49
2,00
-2,400
2
: +2,0'70
0,0ó45
0,0600
0,0450
0,0600
0,2295
85,3
- (-4,9): +r0,2
+s,3-(13,3):-8,0
+24,2- (13,3):
+24,2
r-)4')
69,r
-
+24,2
-49
-4,9
90,9
+10,9
- (-4,9): +ZS,t
-
(s,3): -r0,2
-4,9-(24,2\= -29,r
-55R
135,8
49,8
35,
l
-44,9
-69,1
RAMIFICADAS ICAP. 8
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y
128
Los pasos de los cálculos resumidos se han desarrollado en forma tabular, utilizando el Diagrama B
para obtener las pérdidas de cargas en metros por mil metros (S). Los valores de 11" se obtienen por multiplicación de S por la longitud de la tuberia que se considere. También se han tabulado los valores del cociente de H" por el Q correspondiente.
l8]
Los términos A se calculan [expresión (4), Problema
- - 1.434\ +13'3
ar: rss(0p584):
-t-7 r0) T'-''
- ts5(oJ63o,
-
(
/\.. :
-"
t-
A"'
-' : *51
- t- I-"140)
:
-rv
^,.
1.85(0.1163)
como sigue:
-
I
t1A1
+ 2.070)
1,85(0,2295)
Para la tubería EFy el lazo I, el término
neto es (Ar - Au), es decir, [+13,3 - (+24,2)]: -10,9. Se
^ con el A del circuito III ya que la tubería .EF pertenece a
obse¡va que el A para el circuito I se combina
los dos lazos. En forma análoga, la tubería EFcomo perteneciente al lazo III, el término A neto es (Au, - A,),
es decir, l+24,2 - (+13,3)] : +10,9. Obsérvese que los valores A netos tienen el mismo valor absoluto,
pero signo opue,eto, Esto se comprende fácilmente ya que el flujo en la tubería Elqes contrario al de las agujas de un reloj en el circuito I, mientras que en el lazolll es del sentido de las agujas de un reloj.
Los valores de los Q, para la segunda aproximación se calculan así:
2n"
:
Q60,0
+
13,3)
:
173,3 l,seg
mlentras que
QEf
- (-80,0 -
10,9)
: -90,9 l/seg
y
Q¡t
:
e240,0 +
13,3)
:
-226,7 llses
El método consiste en continuar las aproximaciones hasta que los términos A sean lo suficientemente
pequeños, de acuerdo con la precisión que se busque, recordando siempre que los valores de C, tienen una
precisión limitada. En referencia con la columna de la derecha de la última de las tablas, se hace notar que
dan los valores finales de Q en las diversas tuberías.
Como las sumas de las pérdidas de carga son pequeñas para todos los circuitos pueden considerarse
los valores de los caudales que figuran en la columna de la de¡echa de la última tabla como los valores cor¡ectos, dentro de la precisión esperada. El lector puede practicar, calculando los nuevos valores de A, a
continuación los Q., etc.
(b)
La altura piezorrétrica en I es (60,0 + 45.0) : 105,0 m. La pérdida de carga de A a I puede calcularse por
cualquiera de las rutas que lrnen A con I, sumando las pérdidas de la forma usual, es decir; en la dirección
Tramo
o-
s
HL
AB
173,3
4U,0
-
2.70
0,70
2,30
2,430 0.0r40
0,840 0,0175
2,010 0,0228
-2,040 0,0090
r : -0,840 0.0633
1,260 0,0101
2,s20 0.0295
-
BE
EF
FA
- 90,9
- z_o. I
BC
t)5 l
1,40
CD
R5
DE
-.19.8
2,10
3,00
0.70
EB
FE
EH
HG
GF
-
.l
48.0
-
90,9
69,r
55 R
-
-
13,s,8
1,70
-
4.80
49,8
3,00
35,1
41,9
69.1
1,61
-
I:
2,070 0,0228
6.600 0,0955
- 0,819 0,0147
- 5.760 0.0424
+2.091 0,17-s4
0.91
DT
HE
, :
550
-
2,50
5.50
2J00
r,932
- 2,250
- 6,600
, : -4.2t8
A
ta1
1,2) :
+7,2-(-6,4):
¡'/,2 - (+'7 )
+4,¿
+13,6
.2
,2
,2-8,9:
',
0,0542
0,0175
- 0,840
+0,240
2,30
ED
IH
-2,700
HrtQ
-'7):
-10,1
-?,¿
0,1 I 13
-6,1-7,2:
-6,4- 8,9:
-64
-
6,,1
+8,9
0,0542
0.0550
0,0501
+ 8,9
0,09_s5
+8,9
0.2518
-13,6
-15,3
-
(-1,2)
:
-
(-6.4¡
:
+ 8,9
+10,1
-1.
15,3
CAP.
SI
RAMIFICADAS I29
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y
(H")n-,: (2,520 + 1,116 + 4,200 + 1,440):9'276m.
HL: Q,520 + 1,116 + 3'780 + 3,000) : 10'416 m.
ABEDI,
la
ruta
como comprobación, al utilizar
del flujo. utilizando el camino ABEHI se obtiene
Utilizando é1 valor 9,8 m, la altura piezométrica en 1 será
de presión en I : (95,2 - 30,0) : 65,2 m.
Tramo
AB
BE
180,5
56,4
EF
FA
HL
H"lQ
2,80
0,93
2,520
1,76
1.60
1,584
0,0140
0,0198
0,0205
0,0087
S
Q,
-2r9,5
-
1,1
- r,920
t :
BC
CD
DE
EB
r24,1
|,41
84,1
59,9
2,10
-
-564
-4)O
- 0.93
E
FE
EH
HG
GF
11
_6) )
I A1 1
5,10
:
95'2 m. De aquí' la altura
Qn
t79,4
-4,9:-6,0
- 1,1
- 4,8 : -5,9
tt
-1,1
t,269
0,0102
+4,9
+4,9
+4,9
+49
50,4
-83,2
-))o
6
t29,0
- (-2,5):
- (-1,1):
89,0
+7,4
+O,o
-
50.4
1,584
4,200
1,080
0,0205
+ 4,8
+4,8
0,0174
(- 1,1) : + 5,e
- (-2,s\:
+7,3
+ 4,8
83,2
0,0781
61,1
<1 A
-6,120
0,0430
+ 4,8
-
-1)O
9,8)
- l,l
2,520 0,0300
- 3,780 0,0631
- 1.116 0,0198
: -1,107 0,1231
-
A
0,0630
3,50
-
(105,0
+0.132
r,'76
1
16
:
-
r37,4
2: -1,416 0,1590
ED
5qq
4,20
DI
IH
44,0
2,s0
35,1
1,60
-_1<fl
HE
-
s3.8
3,780
3,000
0,0631
-4,200
0,0781
+1,140
4,2504
- t,440
I:
0,0682
0,0410
5?5
-?5-4q:-14
-?
5
- 4?, - -1
41
5
-3'7.6
'1
-
61.1
Problemas propuestos
21.
Mediante el Diagrama .8, calcular el caudal esperado en una tubería de 40 cm si la línea de alturas piezométriso/' 62 llseg
cas cae 1,10 m en I kilómetro' (Utilizar Cr : 100')
22.
Si la tubería del Problema 21 fuera de fundición nueva, ¿cuál sería el
23.
En el ensayo de una tubería de fundición de 50 cm, el caudal en flujo permanente fue de 175 l/seg y la línea de alSol- 116
turas piezámétricas cayó 1,20 m en un tramo de tubería de 600 m. ¿Cuál es el valor de Ct?
24.
régimen permanente' 550 l/seg
¿Qué diámetro debe de tener una tubería nueva de fundición para transportar, en
Sol. 62 cm
á"- ugr,u a través de una longitud de 1800 m con una pérdida de carga de 9 m?
Se quieren transportar 520 l/seg a través de una tubería de fundición vieja (Cr : 100) con una pendiente de la
línea de alturas piezométricas de 1,0 m/1000 m. Teóricamente, ¿qué número de tuberías de 40 cm serán necesa-
t<
rías?, ¿y de 50 cm?, ¿y de 60 cm?, ¿y de 90
26.
'r1
cm?
caudal?
Sa/. 8,97,5'07' 3'06,
Sol.
80,6 l/seg
1
Comprobar las relaciones del Problema 25 cuando se transportan 520 l/seg para una pendiente cualquiera de la
línea de alturas piezométricas.
que, en una tubería de
¿Qué pérdida de carga producirá en una tubería nueva de fundición de 40 cm un caudal
de 1,0 m/1000 m?
piezométricas
de
alturas
línea
de
la
a
una
caída
fundición de 50 cm, también nueva, da lugar
So/.
2.90 m/1000 m
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y
130
RAMIFICADAS [CAP. 8
28.
La tubería compuesta (sistema de tuberías en serie) ABCD está constituida por 6000 m de tubería de 40 cm,
3000 m de 30 cm y 1500 m de 20 cm (Cr : 100). (a) Calcular el caudal cuando la pérdida de carga erÍre A y D
es de 60 m. (ó) ¿Qué diámetro ha de tener una tubería de 1500 m de longitud, colocada en paralelo con la existentede20cmyconnudos enCy D, paraquelanuevasección C-Dsea equivalentealasección ABC(rttllizar
Cr : 100). (c) Si entre los puntos C y D se pone en paralelo con la tubería de 20 cm CD otra de 30 cm y
2400 m de longrtud, ¿cuál será la pérdida de carga total entre A y D para Q: 80 l/seg?
29.
Un
Soi.
58 l/seg, 16,5 cm, 42,8 m
sistema de tuberías en serie ABCD está formado por una tubería de 50 cm y 3000 m de longitud, una de
40 cm y 2400 m y otra de 30 cm y L m (C, : 120). ¿Qué longitud Z hará que el sistema ABCD sea equivalente a
una tubería de 37,5 cm de diámetro,4900 m de longitud y Ct:100? Si la longitud de la tubería de 30 cm que
va de C a D fuera de 900 m, ¿qué caudal circulará para una pérdida de carga entre A y D de 40 m?
So/. 1320 m, 180 liseg
Hallar la longitud de una tubería de 20 cm equivalente al sistema de tuberías en serie constituido por una tubería
30.
de25cmy900mdelongitud,unade20cmy450myotrade15cmyl50mdelongitud(paratodaslastuberías Ct : 120).
Sol. 1320 m
Los depósitos A y D esfán conectados por el siguiente sistema de tuberías en serie: la tubería (l-B) de 50 cm
y 2400 m de longitud, \a (B-C) de 40 cm y 1800 m y la (C-D) de diámetro desconocido y 600 m de longitud. La
31.
diferéncia de elevación entre las superficies libres de los depósitos es de 25 m. (a) Determinar el diámetro de la
tubería CD para que el caudal que circula enfre A y D sea de 180 l/seg si C, : 120 para todas las tuberías.
(ó) ¿Qué caudal circula¡á entre A y D si la tuberia CD es de 35 cm de diámetro y si, además, conectada entre
.B y D existe otra tube¡ía en paralelo con BCD de 2700 m de longitud y 30 cm de diámetro?
Sol. 32 cn, 258 l;seg
Un sistema de tuberías (Cl :120) está constituido por una tubería de 75 cm y 3000 m (AB), otra de 60 cm y
32.
2400m(BC)ydeCaDdostuberíasenparalelode40cmy1800mdelongitudcadauna.(a)Paraun
caudal entre A y D de 360 l,'seg, ¿cuál es la pérdida de carga? (á) Si se cierra la llave en una de las tuberías
de 40 cm, ¿qué variación se producirá en la pérdida de carga para el misno caudal anterior?
So/. 21,2 m, variación : 31,1 m
En la Fig. 8-13, para una altura de presión en D igual a 30 m (a) calcular la potencia comunicada a la turbina
DE. (b) Si se instala la tubería dibujada a trazos en la figura (60 cm y 900 m de longrtud), ¿qué potencia podrá
comunicarse a la turbina si el caudal es de 540 l/seg? (C, : 120).
Sol. 144 CV, 207 CV
33.
Er 40,0
m
m
18ü)m-20cmD
- 60ch
600m
-
50cm
2100n
-
75cm
1500
p-et
m
-
15 cm
D,
6',$-7
4-
25cm D
25cmDEl 0.0\
r
l
I
t,o
El
0.0 m
*'-----Fig.8-14
Fig.8-I3
En la Fig. 8-14, cuando las alturas de presión en A y -B son de 3,0 m y 90,0 m, respectivamente, la bomba
AB está comunicando al sistema una potencia de 100 CV. ¿Qué elevación puede mantenerse en el depósito D?
34.
So/. 46,8 m
En el sistema de tuberías mostrado en la Fig. 8-15 es necesario transportar 600 l/seg hasta D, con una presión
en este punto de 2,80 kglcm2. Determinar la presión en A en kglcm2.
So/. 3,40 kglcm2
35.
EI
,.1
en
= 300m
1800
m
El enD:l-t0m
D
60cmD
C, : 120 fpara todas Ias tuberras)
El. 30.0 m
El enr:17.0m
Fig.8-15
36.
Fig.8-16
(a) En la Fig. 8-16, la presión en D es de2,l0kglcm2, cuando el caudal suministrado desde el depósito I es de
250 l/seg. Las válvulas B y C están cerradas. Determinar la elevación de la superficie libre del depósito A. (b) El
caudal y la presión dados en (a) no se cambian, pero Ia válvula C está totalmente abierta y la .B solo parcialmen-
CAP.
8]
SISTEMAS DE TUBERIAS EQUIVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO Y RAMIFICADAS
te abierta. Si la nueva elevación del depósito
I
es de 64
Sol. El. 68 m. 5.8 m
37.
m, ¿clál
es
131
la pérdida de carga a través de la válvula.B?
Determinar el caudal que circula a través de cada una de las tuberías del sistema mostrado en la Figura 8-17.
Sol. 190 l/seg, 140 l/seg, 50 l/seg
l20o
El. 30,0 m
lo
^
";';
¡¿oo
a
!
El. 21,0 m
El
Fig. E-r7
48,0 m
Fig.8-18
38.
La bomba X.Y, auna elevación de 6,0 m, hace circular l20llsega través de una tubería nueva de ftndjción yW de
40 cm y 1800 m de tongitud. La presión de descarga en I es de 2,70 kglcm2 . En el extremo W de la tubería
de
40 cm están conectadas dos tuberías, una de 30 cm y 750 m de longitud (Cl : 100), que termina en el depósito
A, a wa elevación de 30,0 m, y otra de 25 cm y 600 m (Cl : 130), que termina en él depósito -8. Determinar
la elevación de .B y el caudal que llega o sare de cada uno de los depósitos.
Sol. El. 7,1 m, 35 l/seg, 155 l/seg
39.
En la Fig. 8-18, cuando Q¿o: Qoc -- 280 llseg, determinar la presión manométrica en E' en kglcm2, y la elevación del depósito .8.
Sol. 5,26 kglcm2,53,9 m
40.
En el sistema mostrado en la Fig. 8-19, a través de la tubería de 90 cm, circuian 900 l/seg. Determinar la potencia en CV de la bomba xA (rendimiento igual al 78,5
%) que da lugar a los caudales y elévaciones mostrados en
Ia figura si la altura de presión en X es nula. (Dibujar las líneas di alturas piezométricas .)
Sol. 272 Cy
t'q" rzoo*-#
|
6,0
m
Cr :
120 (todas las
trberias)
_
Et, 30,0 n
Fig.8-19
Fig.8-20
41.
¿Qué caudal debe suministrar la bomba de la Fig. 8-20 cuando el caudal a través de la tubería de 90 cm es de
1200 l/seg y cuál es la alrura de presión en l?
Sol. 9g4 llseg,56,6 m
42.
La altura de presión en l, sección de descarga de la bomba AB, es 36,0 m debido a la acción de dicha bomba,
de una potencia de 140 CV (véase Fig. 8-21). La pérdida de carga en la váh'ula Z es de 3,0 m. Determinar todos
los caudales y la elevación del depósito ?". Dibujar las líneas de alturas piezométricas.
So/. Q.¿w: QsB:360 lr'seg, 8"^ :64 llsee, Qrs:424 l/seg, El. en T 27,0 m
Et
.-_Ju'
30,0 m
w
,o'0.
t\
\
Cr
:
120
(todas ¡as
tuberias)
?
2400 m
-60cmD
7,0 m
lr,4m
Et
3,0
m\
Fig.8-21
43. El caudal total
Et.
l, véase Fig. 8-22, es de 380 l/seg y el caudal que llega a -B es de 295 llseg. DetermiI y (ó) la longitud de la tubería de 60 cm,
sol. 26.5 m. 7:,00 m
que sale de
nar (a) la elevación de
Fig.8-22
132
4.
STSTEMAS DE TUBERTAS EQUTVALENTES, COMPUESTAS, EN PARALELO
Y RAMIFICADAS [CAP.
o parten de cada uno de los depósitos de la Figura
Sol. Qm : lN llseg, Q"": 3 l/seg, Qnc : 79 llseg, Q¿p : 64 Usee
¿Cuáles son los caudales que llegan
aa,o
8-23?
El. 72,0 m
m-20cmD,C^:1¡g
ler
8
t
5h
El. 69,0 m
.,Nj'
/-El.
6.
m
Cr
=
¡00 (todas las tub€rias)
Fig.8-24
Fig.8-23
45.
3o,o
Si la altura de presión en F es de 45,0 m, determinar los caudales que circulan a través del sistema mostrado
en la Fizura 8-24.
Sol. Qrn: 98 llseg, Qoo: 104 Vseg, Qno : 48 llseg, Qor: 250 l/seg
Si en el sistema de tuberías del Problema 9, Q
:
200 l/seg, ¿qué caudal circula por cada rama y cuál es la pér-
dida de carga? Utilízar el método de Hardy Cross.
Sol. 28,0 m,
47.
48.
Qzo
:
82 llseg,
Qto:
53 l/seg, Qzs : 65
UseB
Resolver el Problema 35 mediante el método de Hardy Cross.
A, B y C. ¿Cuá1
Sol. B
Se están estudiando tres sistemas de tuberías
para todas las tuberías del
dibujo.
és
el sistema de mayor capacidad? Utilizar Cr
:
100
l20Om-25cmD
.LMN
la\#
900m-40cmD 900m-40cmD
(c)
(B)
900m-45cm ó00m-35cmD
Fig.8-25
49.
En el problema precedente, ¿qué diámetro debe tener una tubería de 900 m de longitud para que puesta en paralelo entre M y N, en el sistema A (demanera que se foÍne un lazo o circuito de M a .|ü), haga que el sistema
,{ modificado tenga el 501 más de capacidad que el sistema C?
Sol. 38 cm
Capitulo
9
Medidas en flujo de fluidos
INTRODUCCION
Para medidas en el flujo de fluidos se emplean en la práctica de ingeniería numerosos dispositivos.
Las medidas de velocidad se realizan con tubos de Pitot, medidores de corriente y anemómetros rotativos y de hilo caliente. En estudios de modelos se utilizan con frecuencia métodos fotográficos. Las
medidas se llevan a cabo mediante orificios, tubos, toberas o boquillas, venturímetros y canales Venturi,
medidores de codo, vertederos de aforo, numerosas modificaciones de los precedentes y varios medidores patentados. A fin de aplicar correctamente estos aparatos, es imperativo emplear la ecuación
de Bernoulli y conocer las características y coeficientes de cada aparato. En ausencia de valores seguros
de estos coefióientes, un aparato debe calibrarse para las condiciones de operación en que va a emplearse'
Las fórmulas desarrolladas para fluidos incompresibles pueden aplicarse a fluidos compresibles
en donde la presión diferencial es pequeña en comparación con la presión total. En muchos casos prácticos se dan tales presiones diferenciales pequeñas. Sin embargo, cuando se debe considerar la compresibidad, se desarrollarán y se emplearán fórmulas especiales (véanse Problemas 5-8 y 23-28).
TUBO DE PITOT
El tubo de Pitot mide la velocidad en un punto en virtud del hecho de que el tubo mide la presión
de estancamiento, la cual supera a la presión est¡itica local en w(Vz l2g) kglm' . En una corriente de fluido
abierta, como la presión manométrica local es cero, la altura a la cual el líquido asciende en el tubo coincide con la alturá de velocidad. Los Problemas 1 y 5 desarrollan expresiones para el flujo de fluidos incompresibles y compresibles, respectivamente.
COEFICIENTE DE DESCARGA
El coeficiente de descarga (c) es la relación entre el caudal real que pasa a través del aparato y el
caudal ideal. Este coeficiente se expresa así
caudal real Q en m3/seg
caudal ideal Q en m3/seg
(1)
Más prácticamente, cuando el coeficiente de descarga c se ha determinado experimentalmente,
Q: cAlzgn
donde A
H
:
:
(2)
en m3/seg
área de la sección recta del dispositivo en m2
car$a total que produce el flujo en m del fluido.
El coeficiente de descarga puede escribirse también en función del coeficiente de velocidad
coeficiente de contracción. o sea.
c:cvxcc
133
y
del
(3)
t34
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
[cAP.
9
El coeficiente de descarga no es constante. Para un dispositivo dado, varía con el número de Reynolds.
En el Apéndice se dan los datos siguientes:
(1) La Tabla
7 contiene los coeficiQntes de descarga para orificios circulares en el caso de agua
a 15' C evacuándola en la atmósfera. Para fluidos dentro de amplios márgenes del número
de Reynolds, estos datos son utilizables con poca garanfia.
(2)
El Diagrama C indica la variación de c'con el número de Reynolds para tres relaciones diámetro de orificio-diámetro de tubería. Para números de Reynolds aproximadamente inferiores a 10.000, estos datos no ofrecen garantia.
(3)
El Diagrama D muestra la variación de c con el número de Reynolds para tres relaciones diámetro de boquilla-diámetro de tubería (boquillas de aforo).
(4) El Diagrama ,E indica la variación de c con el número de Reynolds
para cinco dimensiones
de venturímetros cuya relación de diámetros es de 0,500.
COEFICIENTE DE VELOCIDAD
El coeficiente de velocidad (c,) es la relación entre la velocidad media real en la sección recta de
la corriente (chorro) y la velocidad media ideal que se tendría sin rozamiento. Así, pues,
C,:
V
velocidad media real en m/seg
velocidad media ideal en m/seg uI-ZgA
(4)
COEFICIENTE DE CONTRACCION
El coeficiente de contracción (c") es la relación entre el área de la sección recta contraída de una
y el área del orificio a través del cual fluye el fluido. Entonces,
corriente (chorro)
oc
-
área del chorro
área del orificio
A.¡
(5)
Ao
PERDIDA DE CARGA
La pérdida de carga en orificios, tubos, toberas o boquillas y venturímetros
Pérdida de carga en m del
,I
fluido: (--¡
Cuando esta expresión se aplica a un venturímetro, Z.r,
:
se expresa así:
-D+
velocidad en
(6)
la
garganta
y
cu
:
c.
VERTEDEROS DE AFORO
Los vertederos de aforo miden el caudal de líquidos en canales abiertos, corrientemente agua. Un
cierto número de fórmulas empíricas se emplean en la literatura técnica, todas ellas con sus limitaciones. A continuación se citan solamente algunas de ellas. La mayoría de los vertederos son rectangulares: el uertedero sin contracciónlateral de la lámina y generalmente empleado para grandes caudales,
y el uertedero con contracción lateral de la lámina para caudales pequeños. Otros vertederos son triangulares, trapezoidales, parabólicos y de flujo proporcional. Para obtener resultados precisos un vertedero debe calibrarse en el lugar de utilización bajo las condiciones en que va a ser empleado.
cAp.
9l
MEDIDAS EN FLUJO DE
FLUIDOS
135
FORMI.'LA TEORICA DE UN VERTEDERO
La fórmula teórica de un vertedero para vertederos rectangulares, desarrollada en el Problema 29, es
2.
a = i,ul*
-f
:
:
ó:
H:
donde Q
c
Z
:
.
f{a
*
172 -
V2.
z),,, - (í)',, )
(T)
caudal en m3/seg
coeficiente (a determinar experimentalmente)
anchura de la cresta del vertedero en m
car}a sobre el vertedero en m (altura de la superficie del nivel del líquido por encima de
la
cresta
velocidad media de aproximación en m/seg
FORMULA DE FRANCIS
L,a fórmula de Francis, basada en experiencias sobre vertederos rectangulares de 1,067
a 5,182 m (17 ft) de anchura bajo cargas de 0,183 m (0,6 ft) a 0,488 m (1,6 ft), es:
a:
1,84
(b
m (3,5 ft)
- frl [i" * Y¡,,, - (#)',,)
(8)
donde la notación es la misma que anteriormente y
n
n
n
:0 para un vertedero sin contracción
: I para un vertedero con contracción en un extremo
: 2 para un vertedero con contracción total.
FORMULA DE BAZIN
La fórmula de Bazin (anchuras de 0,5 m a2 m bajo cargas de 0,05 m a 0,6 m)
a:
(r,ts+ +
Yl
es:
[r * o,ss {¡ft2¡')t'n'''
(e)
Z : altura de la cresta del vertedero sobre la solera del canal.
El término entre corchetes se hace despreciable para bajas velocidades de aproximación.
donde
FORMULA DE FTELEY Y STEARNS
La fórmula de Fteley y Stearns [anchura de I,524 m (5 ft) a 5,79I m (19 ft)] bajo cargas de 0,021 m
ft) a 0,497 m (1,63 ft) para vertederos sin contracción es:
(0,07
a =
donde d
:
1,83
b(¡I
* .fi)'',', +
factor dependiente de la altura de cresta
L
0,00065
b
1r" ,"qriere una tabla de valores).
FORMULA DEL VERTEDERO TRIANGULAR (desarrollada en el Problema
Estafórmulaes:
o, para un vertedero
dado,
(10)
30)
(11)
a::ctg!{zgT'''
15 - 2'
Q - ,nHt''
(12)
LA FORMULA DEL VERTEDERO TRAPEZOIDAL (de Cipolletti)
a - I,g6lbH3/2
En este vertedero la pendiente de los lados (extremidades) es de
es:
(13)
t horizontal
a 4 vertical.
136
MEDIDAS EN FLUJo DE FLUIDoS
lcAP.
PARA PRESAS EMPLEADAS COMO YERTEDEROS la expresión aproximada del caudal
Q
donde m
-
mbHtt'
e
es:
(14)
:
factor experimental, tomado generalmente de estudios sobre modelos.
En el Capítulo 10, Problema 52, se discute el caso de flujo no uniforme en vertederos de pared gruesa.
EL TTEMPO DE vAcrADo DE DEPosrros por medio de un orificio es (véase problema
t - c,4.1/29
?o- Q,( - nug
(sección recta constante, sin flujo entrante)
3g):
(15)
h¡
('-Ardh
t _ J¡,
Q,"r - Q.n
(flujo de entrada
< flujo de salida, sección recta constante) (16)
Para un depósito cuya sección recta no es constante, véase el Problema 41.
EL TIEMPO DE VACIADO DE DEPOSITOS por medio de vertederos
fórmula (véase Problema 43):
t-
se calcula empleando la
(17)
ffirrr"-H,,h)
EL TIEMPO PARA ESTABLECER EL FLUJO en una tubería es (véase Problema 45):
LV' rn rvt+v,
n : ZSH
'Vt - V'
(r8)
Problemas resueltos
1.
Un tubo de Pitot, teniendo un coeficiente
de 0,98, se emplea para medir la velocidad
del agua en el centro de una tubería. La
altura de presión de estancamiento es 5,58 m
y la altura de presión estática en la tubería
es de 4,65 m. ¿Cuál es la velocidad?
Solución:
Si el tubo se adapta y posiciona correctamente, un punto de velocidad cero (punto de estancamiento) se desarrolla en .B enfrente del extremo abierto del tubo (véase Fig. 9-l). Aplicando
el teorema de Bernoulli desde I en el líquido en
reposo hasta -B se trene
¡Pt ,
6 * ü+
V'?t
0)
-
Fig.9-l
sin pérdidas (supuesro)
: (ff + o + o;
(f)
Entonces, para un fluido ideal <desprovisto> de fricción,
pa
Vi
2s = *-
pA
*
o
tf
,'(T
-#)
(2)
t37
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
cAP. el
para el tubo real debe introducirse un coeficiente c que depende de la forma del tubo. La velocidad real para
el problema anterior
sería
vo:
,Jlg@ul*
- pJ*):
o,s8J2s6,s8
- 4,6r: 4'18 m/ses
La ecuación anterior se aplica a todos los fluidos incompresibles. El valor de c puede tomarse como la miB se tiene
tad en la mayoría de los problimas de ingeniería. Resolviendo (1) para la presión de estancamiento en
pu = pr * !pV'
2.
donde
p=wlg
@)
de Pitot estático que mide la velocidad está conectado a un manómetro diferenCial conteniendo agua. Si la desviación del manómetro es 10 cm, calcular la velocidad del aire, suponiendo que el peio específico del aire es contante e igual a 1,22 kg/m'
A través de un conducto fluye aire, y el tubo
y
que el coeficiente del tubo es 0,98.
Solución:
Para el manómetro diferencial,
@"
- p,ilw:
(10/100)(10001r,22): 82 m
y Capítulo
(Véanse los Problemas 26-28
3.
aire.
Entonces,
V:0.g8Jl\6(8U:39.3
m/seg
11 para consideraciones sobre velocidad del sonido.)
por una tubería fluye tetracloruro de carbono (Dr : 1,60). El manómetro diferencial conectado
: 1,00, hallar
al tubo de pitot estático indica una desviación de 7,5 cm de mercurio. Suponiendo c
la velocidad.
Solución:
pn
4.
- pt:
(7,5/100x13,6
-
1,6)1000
:
900
ke/m'z v : !/D,6lcoolo'6 " r}w:
3,31 m/seg
Fluye agua a una velocidad de 1,4 mf seg. Un manómetro diferencial que contiene un líquido cuya
densidad relativa es 1,25 se conecta u ,rn tnbo de Pitot estático. ¿Cuál es la diferencia de nivel del
fluido en el manómetro?
Solución:
v
:
,r/zs(
plü,
r,4
:
r,0ov4Fí(Lphr)
y
Lplw:
Aplicando el principio de los manómetros diferenciales, 0,1 -- (1,25
5.
0,1 m asua
- l)h y h :
0,4 m de diferencia'
Desarrollar la expresión para medir el flujo de un gas con un tubo de Pitot.
Solución:
El flujo de A a B en la figura del Problema I anterior puede considerarse adiabático y con pérdidas despreciables. Aplicando la ecuación de Bernoulli D del Problema 20 del Capítulo 6, desde ,4 hasta B, obtenemos
[rJ-'¡ i:*Y:+0-l
Ls
L\k-r,^,
pérdidasdespreciables
' *-o'ol J
= [fr!X}l(f)'L\L-l)\P¡l\P1)
vi
-_, - _ 1-l
.1¡r.,,¡ [¡r".¡
^J
\,t - l/\2r,r/
2s = ¡_a
L\P^/
El término po
es
Del Capítulo
l,
la presión de estancamiento. Esta expresión (1) corrientemente
(l)
se
transforma introduciendo
la relación entre la velocidad en A y la velocidad del sonido c del fluido no perturbado.
la velocidad del sonido
,:,/nJp:
!6lp:
JkpCl-. Combinando con la ecuación
(1)
precedente,
v-:,
Z
= f,-f
\k _ -l[loo),--'--1l
I,/|\¡r.r/
o,
|
X= [r*C?X:),]-"--"
(z)
Desarrollando en serie,
PB
lr\
r
, I tVnv k-2
-t\t)-%\7)
¡V;¡,
-
l
\3)
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
138
A fin de comparar
por p,q, obteniéndose
esta expresión con la
pB
fórmula
(-3)
[cAP.
e
del Problema 1, se multiplicapot pAy se sustituye kpr/c2
= p^ + +'.,v;[t *!¡(;)'_L- ? t{.l'* ]
Ur)
Las expresiones anteriores se aplican a todos los fluidos compresibles para relaciones de Vlc menores que
la unidad. Para relaciones mayores que la unidad, se producen ondas de choque y otros fenómenos, no teniendo
suficiente precisión la hipótesis adiabática y, por consiguiente, la aplicación de estas expresiones. La relación Vlc
se denomina número de Mach.
El término entre corchetes en (4) es mayor que la unidad y los dos primeros términos dan suficiente aproximación. El efecto de la compresibilidad es incrementar la presión del punto de estancamiento respecto a la de
un fluido incompresible [véase expresión (3) del Problema 1].
En los Problemas 26-28 y en el Capítulo 11 se discutirá el caso de velocidades del sonido.
6.
Mediante un tubo de Pitot se mide un flujo de aire en condiciones atmosféricas (rrl : I,221 kg/m'
a 15'C) a una velocidad de 90 m/seg. Calcular el error en la presión de estancamiento al suponer
incompresible el aire.
Solución:
Aplicando la fórmula (3) del Problema 1 anrerior,
pn: pt + ipv' :
1,033(10.000)
Aplicando la fórmula (4) del Problema 5 anrerior y haciendo
pa
:
:
:
+ +(r,22r19,8x90)'
, : Jt
10.836 kg/m2 absolutos
gRI
:
JIAp,8)er,3)eB8)
1,033(10.000) + +(r,22119,8)(90),[l + +(901340), . ]
10.330
+
506[1
+
0,0175]
:
340 m/seg,
10.842 kg/-m2 absoluros
El error en la presión de estancamiento es menor que el 0,1 /oy el error
eí
(pB
r,75 %.
7.
:
-
pr)
es aproximadamente
La diferencia entre la presión de estancamiento y la presión estática medida por el tubo de Pitot
estático es 2000
es
15'C. ¿Cuál
kgl^'
es
.
La presión estática es 1 kg/cm2 absoluto y la temperatura de la corriente de aire
la velocidad del aire, (a) suponiendo que el aire
es
compresibley (b) suponiendo
que es incompresible?
Solución:
(a) p¿,:
1(10.000)
:
y c : JksRr: JIAe,t¡¡'l,SJ;(r88r:340
10.000 kglm2 absoluros
De la ecuación (2) del prob.
5. 'n: lt + (k 2.t,r\rrlo''n'"
c )
L
Pt
10.000+2000 |
:lt+e 1.4_I V,
11,4to.4
xt;)'J
'
2
lo.ooo
(b\ *:
1(l0.000)
zi:.ltzu't:
1.186
m/ses.
kg/mr
y
V
:
!/2sra"/,tL-
pf
tL)
vA:178m/ses
: Jzsel\\ll,t8q :
1g2
-7..*.
8. A través de un conducto
circula aire a 240 m/seg. En condiciones normales de presión, la presión
manométrica de estancamiento es de -I,77 m de columna de agua. La temperatura de estancamiento es de 63" C. ¿Cuál es la presión estiítica en el conducto?
Solución:
Con dos incógnitas en la ecuación (2) del Problema 5, vamos a suponer una velocidad Vlc (número de Mach)
igual a 0,72. Entonces,
(-1,'tr +
Y
10,33)1000
P,¿.:8,62(1000)11,4: 6155 kglm2 absolutos.
:
pnlr + +(1,4
-
t)(0,72)21r,4to,4
cAP.
9l
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
A fin de comprobar la
suposición anterior, aplicamos la relación adiabática
TB (o;l'--"'r'
.p8.,,_,,,0
273
r):
Por otra parte
Entonces, Vlc
No
9.
,:
139
+ 63 (-',8.62 x
1000
^^,,
uirt---t'"it'"'
jl4l\8[r9.3x305):
-:
JWr:
y
:2401350: 0,686
o^
r¡:305'Kelvin
350 mises.
8'ó2
- ¡ *ffi:
x
1000
6285 kglm2 absolutos'
se precisa nueva aproximación.
Un orificio normal de 10 cm de diámetro evacua agua bajo una altura
de carga de 6 m. ¿Cuál es el caudal en m3/seg?
Solución:
Aplicando la ecuación de Bernoulli enfre
.B como plano de referencia,
+o+
to
A y B en la figura adjunta, tomando
: ¿g+ 4u' + o)
n5
¿g t5
6)- (+
c; -
Pero la altura de presión en -B es cero (según se vio en el Cap. 4, Prob. 6). Entonces,
V"n: c,uEg xi
Por otra parte, Q
:
A"nV.¡ que, aplicando las definiciones de los coeficientes, da
e:
De la Tabla 7, c
:
0,594 para
D
@"A,)cuJrg
:
10 cm
yh
:
r 6:
r,s,"r/2c
Fig'9'2
r6
6 m. Por consiguiente, Q
:
0,5941*n(0,1)tlr/Eg
x
6
:
0,051 m3/seg.
10.
La velocidad real en la secoión contraída de un chorro de un líquido circulando por un orificio
de 5 cm de diámetro es 8,4 m/seg bajo una carga de 4,5 m. (a) ¿Cuál es el valor del coeficiente de
velocidad? (ó) Si el desagüe medido es 0,0114 m3/seg, determinar los coeficientes de contracción
y
descarga.
Solución:
(a)
Velocidad ,"ul
:
",rF2gH,
8,q
:
,"r/tg,e
, q,S,
c,
:
0,895.
(b) Q reat: ceJ2gH, 0,0il4 : cl!n(0,0s)rlr/t9,6 x 4,5,
Como c : co x cc, c" : 0,62710,895 : 0,690.
11.
c
:0,627.
A través de un orificio normal de 2,5 cm de diámetro circula aceite bajo una carga de 5,4 m a razón
de 0,00315 m/seg. El chorro choca contra una pared situada a 1,5 m de distancia horizontal y a
0,12 m verticalmente por debajo del centro de la sección contraída del chorro. Calcular los coeficientes.
Solución:
(a)
e:cAJzgH,
0,00315:cl[n(0,025),]r/8s6,4), c:0,625.
(b) Delasecuacionescinemáticas,x: Vtey:
chorro.
Eliminando
)gt2, endondereJrrepresentanlascoordenadasmedidasdel
/ se obtiene x2 : ev2ldy.
(1,5)': (2V219,8\(0,12) y V real:9,6
Sustituyendo,
Entonces, 9,6
: c,: JUn
y
c,:
m/seg en el chorro.
0,934. Finalmente,
c": cfcu: 0,670.
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
140
[cAP.
e
12. El depósito del Problema 9 está cerrado y el aire que ocupa el espacio por encima del agua está
bajo presión, aumentando el caudal hasta 0,075 m3/seg. Hallar la presión del aire en kg/cm2.
Solución:
e: cA.n/2gH o
0,075
:
cl!',Q,\'fJze6 + plü
La Tabla 7 indica que c apenas cambia dentro del margen de carga considerado. Tomando c : 0,593 y
calculando, se tiene plw : 7,05 m de agua (el c supuesto se comprueba para la carga total I1). Entonces,
p'
f3.
:
whlr002
:
1000(7,05)/10.000
:
0,705 kslcm2
A través de un orificio de 7,5 m de diámetro, cuyos coeficientes de velocidad y contracción son 0,950 y 0,650, respectivamente, circula
aceite de 0,720 de densidad relativa. ¿Qué debe leerse en el manómetro A de la Fig. 9-3 para que la potencia en el chorro C sea 8,00 CV?
Solución:
La velocidad del chorro puede calcularse a partir del valor de la potencia
del chorro:
caballos de vapor del chorro
,,oo
Despejando,
V:h:
57W Y V.¡
l0.7zo
:
vlJ2g +
l
I
-
w(c"A"v')(O
x
1000X0,610][i¡(0,07s)'?]zil2g
:+
_
j-
2,7 m
0)
Aceite
Fig.9-3
17,8 m/seg.
y C, tomando C como referencia,
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre .B
(pr + derpr. + 2.jt
_t,o,rrF
- ¡l1jf : (0 + ff
*
o,
y p,tlw:15,25 m de aceite. Entonces, pn-- whll0.000: (0,720 x 1000)15,25/10.000:
l,l
kglcm2-
Nota: El lector no debe confundir la altura de carga total H, que origina el flujo, con el valor
la expresión que nos da la potencia del chorro. Ambos valores no son iguales.
de 1/"0
indicada en la
24" C baio una altura de
presión en la sección 'B?
14. Para el caso de la boquilla de 10 cm de diámetro
Fig. 9-4, (a)
¿Cuál
caiga de 9 m? (á)
(c) ¿Cu¿t es la má
completamente lleno? (Utilizar
c,:
emplearse si el tubo está
0,82.)
Solución:
Para una boquilla normal, la corriente se contrae en .B aproximadamente un 0,62 del área del tubo. La pérdida de carga entre A y .B se ha valorado
en 0,M2 veces la altura de velocidad en -8.
(a) Aplicando la ecuación
rencra'
(0
*
despr.
de Bernoulli entre A
+ 9) -
1
y C, tomando c como
vz.
tto¡t - |6:
(0
refe-
Fig.9-4
v?-
+ 2j + 0l
!v.¡:10,88m/seg.LrcgoQ:A"¡V"¡:[1,00x]z(0,1)'?1(10,8S):0,0855m3/seg.
(b)
Ahora, la ecuación de Bernoulli entre
(o
+
despr.
Ay
-8, tomando -B como referencia, nos da
:
,w +9
+ e) - o.o42?
","._2s (A
29
*
o,
(A)
cAP. el
t4r
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
Por otra pafte, Q
: AaVn: AcVc o ccAVB: AVc o VB: V"Jc,:
(,4), 9
Sustituyendo en la ecuación
(c)
:
p¿
+ 1,042U!f
2s
Pn
- /.)
w
10,8810,62
m qe
:
17,6 mlse5.
agua.
Como la carga que produce el flujo a través de la boquilla se incrementa, la altura de presión en ,B irá decreciendo. Para un flujo estacionario (y con el tubo completamente lleno), la altura de presión en .B no debe
ser menor que la de la presión de vapor para líquidos a la temperatura considerada. De la Tabla I en el
Apéndice, para el agua a24' C este valor es de 0,030 kglcm2 absolutos o 0,3 m absolutos aproximadamente
al nivel del mar (-10,0 m).
De (A\
,:
se tiene
,o4
r,o42f:
rc,0
+ r,o+2fi
(8)
c"AVe: AVc : Ac,J2gh
Por otra parte,
v":
De donde
+
?,Esh
fi: rirr:
o
rffirn:,,75h
Sustituyendo en (B), h: -10,0 + 1,042(1,75h) y h:12,15 m de agua (24' C).
Toda carga superior a 12 mhará que la corriente salga sin tocar las paredes del tubo. El tubo funciona
entonces como un orificio.
En condiciones de presión de vapor resultarían fenómenos de cavitación (véase Capítulo 12).
15. A través de una tubería de 10 cm circula agua a razónde0,027 m3fseg
y de ahí a través de una
boquilla conectada al final de la tubería. La boquilla tiene 5 cm de diámetro interior y los coeficientes de velocidad y contracción para la boquilla son 0,950 y 0,930, respectivamente. ¿Qué
altura de presión debe mantenerse en la base mayor de la boquilla si la presión que rodea al chorro
es
la
atmosférica?
Solución:
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre la base mayor de la boquilla
y el chorro,
ví
tL *' h+
o) - L1o.95o¡'
f--!---- - tG:
I v'
"'
'r2g- ro + 29 * o,
'H
29
y las velocidades se calculan de Q : AV: 0,027 : AroVro : A"tV.¡ : @,A)V.¡.
v,"
Sustituyendo
y
:
ffi:
operando, plw
3,44 mlses
:
12,4
-
0,6
:
!
11,8
v"t
0,027
0,930$z(0,0s)'z1
16.
pues,
14,8 m/seg
m de agua.
V"n: ,,uEgH y siendo H : (pl* + Vl¡l2g),
r4,8 :O,95\u5slpfu + Q,44)'l2sl
trF" + O,A:3,51 y plw: ll,8 m de aguá, como antes.
Aplicando la fórmula
de donde
:
Así,
se tiene
Una boquilla de 10 cm de diámetro en la base mayor por 5 cm de diámetro en el extremo de salida apunta hacia abajo y la altura de presión en la base mayor de la boquilla es 7,8 m de agua.
La base mayor de la boquilla dista 0,9 m de la sección de salida y el coeficiente de velocidad es 0,962.
Determinar la potencia en el chorro de agua.
Solución:
y
Para una boquilla, salvo si se da c", este coeficiente se toma como la unidad. Por consiguiente, V.n : V5.
Antes de calcular la potencia deben hallarse V y Q. lJsando la ecuación de Bernoulli entre la base mayor
la sección de salida de la boquilla, tomando como referencia esta última, tenemos
o.e) - l=]^. - 't
os +v^b+
tjf: (o + 529 * o,
zg
'(0.962\2 29
! A,oVro: AsVs o Vlo: éll0)4v?. Operando, Vs:12,95 mlse1.
wQH"¡ _ 1000[á7¡(0,05)r(12,e5)][0 + (12,95)r/28 + 0]
Potencia en el chorro :
:
75
'75
2,e1 Cy
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
142
17.
[cAP.
e
x
15 cm circula aguaarazónde 0,0395 m3/seg y el manómetro
diferencial indica una desviación de 1,0 m, como muestra la Fig. 9-5. La densidad relativa del líqui-
Por un venturímetro de 30 cm
do del manómetro es 1.25. Determinar el coeficiente del venturímetro.
Fie.9-5
Solución:
El coeficiente de un venturímetro es el mismo que el de descarga (c" : 1,00 y, por consiguiente, c : c,).El
coeficiente de flujo K no debe confundirse con el coeficiente c del niedidor. Al final de este problema se hace una
aclaración.
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre A y .8, caso ideal, se tiene
,+.++ o) - sin pérdidas : <ff *ft
y
v4o
:
:
(AtslA3)2v?s. Operando, Zr,
|-
(A1slA3J2
*
ot
(sin pérdidas).
La velocidad real (y, por tanto, el valor real del caludal Q) se obtendrá multiplicando el valor ideal por el
coeficiente c del medidor. Así, pues,
Q: A,rvrr: Atsc
'" ^fsVll--tl!
\l-(ArslAn)'
'
(1)
Para obtener la altura de presión diferencial indicada anteriormente, se emplearán los principios del ma-
nómetro diferencial.
@olw
Pc: Pc'
- z):polw -
Sustituyendo en (1), 0,0395
Nota'. La ecuación (1)
:
(z
+
1,0)
!n(0,t5¡'cJzsl0,25)lÍ
suele escribirse así:
jo. Está claro que
K=
\/-
(tnl* - Palw):0,25
+ 1,25(1,0) o
-
1116)
y c:
Q: KArrE( pld
m
0,980.
donde Kes el llamado coeflciente de flu-
(AJA,Y
Para obtener, si se desea, c se utilizan tablas o ábacos en los que puede leerse el coeficiente K. Los factores
de conversión para obtener los valores de K para ciertas relaciones de diámetros de instrumentos se indican en
el Apéndice en varios diagramas.
18.
r43
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
cAP. el
Circula agua hacia arriba a través de un venturímetro vertical de 30 cm x 15 cm cuyo coeficiente es 0,980. La desviación del manómetro diferencial es 1,16 m de líquido de
densidad relativa 1,25, como se muestra en la figura adjunta.
Determinar el caudal en m3/seg.
Solución:
Aplicando la ecuación de Bernoulli como en el Problema 17 y
zA: 0 y zn: 0,45 m, se tiene
teniendo en cuenta que en este caso
Q : cAtt
I
rn
Aplicando los principios del manómetro difereÍrcial para obteller Lplw,
pclw : pnlw (en m de agua)
p.tlw -r (n + l,16): Pnlw + m + 1,25(1,16)
+
I
I,lq
DT
- pnlw) - (^ - n\l: r,r6(r,2s - 1,00)
l@olw - pnlw) - 0,451 : 2,29 m de agua
l@ol*
Sustituyendo en
la
ecuación que
da el caudal, se
m
Fig.9-6
q
tiene
:
o.esorlltrt(..lsf
\EQ2sv\
- tlt6\:
0,0426 m3 lseg.
19.
Agua a 37'C circulaarazónde0,0142 m3/seg a través de un orificio de 10 cm de diámetro instalado en un tubo de 20 cm. ¿Cuál es la diferencia de altura de presión entre la sección aguas arriba y la sección contraída (sección de <vena contracta>)?
Solución:
En el Diagrama C del Apéndice se observa que c' varía con el número de Reynolds. Hay que advertir que
el número de Reynolds debe calcularse para la sección recta del orificio y no para la sección contraída del chorro
ni tampoco para la sección de la tubería. Este valor es
^
ÁE:-:-
V^D^ AQIftD:ID.
4(0,0142)
4Q
-vlvnDo
n(6,87
El Diagrama C para P : 0,500 da c' :
x
10-?X0,1)
:
263.000
0,605.
Aplicando el teorema de Bernoulli entre la sección de la tubería y la sección del chorro se obtiene la siguiente ecuación general para fluidos incompresibles:
,P" ,
,;k
V2B
+0)
-
,i-'r*:,T*ft*ot
e:AroVro:(c"Arc)V.¡
Sustituyendo Vro por trln y
operando,
v'n--r,pzolw-P.Jwl
,
: cit1_
rzr¿¿;t
,f
Luego
e
o
^
: A.nv"n: tc,Alst , ,,J'f###,]
v :aCa'rltrrtúU-tl-,
Ych:
I - ¿tO¿Utf
:-cAto
r-
c2(DrclD2o\4
Para un orificio con velocidad de aproximación y un chorro contraído, es más conveniente escribi¡ la ecua-
ción de la forma
O
.4.^
: ----:=:]L:,EcAp!u)
(DlolD2o)"
(1)
Jl -
o
Q)
donde K es el llamado coeficiente de flujo. El coeficiente del medidor c' puede determinarse experimentalmente
para una relación de diámetro de oriflcio a diámetro de tubería dada, o bien puede preferirse el coeficiente de
flujo K.
-q:rc'aroJzgltpl*¡
t44
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
[cAP.
e
Sustituyendo en la anterior expresión (1), se obtiene
0.605
x
*n(0.1)2
0.0|42:#J2s6plwlyLplw:(Pzolw_P"¡lw'|:0,428mdeagua.
Jt _ (U2Y
20.
Para el orificio y tubería del Problema 19, ¿qué diferencia de presión en kg/cm2 causaría el mismo caudal de trementina a 20" C? (Véase Apéndice para densidad relativa y v.)
Solución:
40
R":;d
4(0,0142)
z(0,00000173X0,1
21.
104,500. Del Diagrama
o.ot42
Entonces,
: tp-:l tLwww
:
Pcrr¡
:
C, para P : 0,500, c' :0,607.
)
0'607
:
x tr(o'lP
Jt -Iurf
A^'-_
-"
-
0,426 m de rrementina
de donde
Jzg6pl*1.
(0,862
wh
lo.ooo
x
1000)(0,426)
10.000
:
0,0367 kglcm2.
Determinar el caudal de agua a 21" C a través de un orificio de 15 cm instalado en una tubería de
25 cm si la altura de presión diferencial entre la sección aguas arriba y la sécción contraída es 1,10 m
de agua.
Solución:
Este tipo de problema ha sido tratado en el capítulo dedicado al flujo de fluidos en tuberías. El valor de c'
no puede hallarse puesto que el número de Reynolds no puede calcularse. Refiriéndose al Diagrama C, para
É : 0,600, se supondrá un valor de c' igual a 0,610. Empleando este valor,
o
Y
Entonces,
0.610
+'-\-' -'
-'-'- x' *n(0.15)2
- vf:lbóof v850¡0):
4(0,0536)
Rs:
(0,000000985x0,1
:
5
0,0536 m3/seg
462.000 (valor de tanteo)
)
: 0,609. Recalculando el caudal para c' : 0,609 nos da
(el
número de Reynolds apenas queda afectado).
0,0532 m3/seg
Nota especial: El profesor R. C. Binder, de la Universidad de Purdue, sugiere en las páginas 132-3 de su
obra Fluid Mechanics (segunda edición) que este tipo de problema necesita no ser una proposición de tanteo.
Propone que se dibujen líneas especiales sobre el diagrama coeficiente-número de Reynolds. En el caso de orificio en tuberia, la ecuación (1) del Problema 19 puede escribirse así
Q:
Del Diagrama C, para P : 0,600, se deduce c'
e _ dJzs(Lpld _v.^
A,o Jt - rD;lD;f
Pero
o, en general,
Ru:v'oD'o
v -
yuflJzf'
''uEs(LPlü
RE
?'o
ya que
Q:
AV
o
D.Jzs@plw)
c' ,,F1DJ4Y
En el Diagrama C se han trazado dos líneas rectas llamadas líneas 7, una para RBlc' :700.000 y otra para
RBlc' : 800.000. En el caso del Problema 2l
RE_ (0,15)/1ef(1Jo
c' 0,00000098sJ1 - (0,60r
:760.000
Con la exactitud que puede leerse, la línea 760.000 corta a la curva P
calcula, pues, rápidamente.
:
0,600 en c'
:0,609. El flujo Q se
22.
t45
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
cAP. el
Una boquilla cuya sección de salida tiene 10 cm de diámetro
se instala en una tubería de
25 cm.
A través de la boquilla fluye fuel-oil medio a27'Cy arazón de 0,094 m3/seg. Se supone que la
calibración de la boquilla está representada por la curva p : 0,4 del Diagrama D. Calcular la
presión diferencial leída si el líquido del manómetro tiene una densidad relativa de 13,6.
Solución:
La ecuación de Bernoulli, entre la sección de la tuberia y la sección del chorro, conduce a la misma ecuación que se obtuvo en el Problema l7 para el venturímetro, puesto que la boquilla se diseña para un coeficiente
de contracción igual a la unidad.
Q: Aro,ro:
ur*rf'ffffi
El Diagrama D indica que c varía con el número de
v": i"o
0'094-
:
11.25
in(0.1)'
La curva da, para P : 0,40, c : 0,993.
(1)
Reynolds.
R¿ ll'95 x o :
1
m/ses Y
353'ooo
Entonces,
0,094:ln(0,r)2x0,993
- Pslto):7,25 m de fuel-oil.
Empleando la Dr del fuel-oil : 0,851, tomada del Apéndice y por aplicación
Y (P¿lw
de los principios del manó-
metro diferencial, tenemos
7,25:
h(13,6/0,851
- l)
y
h:0,483 m
(lectura en el manómetro)
Si se da la lectura del manómetro diferencial, el procedimiento empleado en el precedente problema sería
utilizar, por ejemplo, un valor supuesto de c con el que se calcularía Q y con el número de Reynolds obtenido
se leería sobre la curva apropiada del Diagrama D un nuevo c. Si c difiere del valor supuesto, el cálculo se re-
pite hasta encontrar el coeficiente adecuado.
23. Deducir una expresión para el caudal de un fluido
tobera y un venturímetro.
compresible a través de un caudalímetro de
Solución:
Puesto que el cambio de velocidad se produce en un corto periodo de tiempo, se sustraerá poco calor, por
se supondrán unas condiciones adiabáticas. El teorema de Bernoulli para un flujo compresible se ha expuesto en el Capítulo 6, ecuación (D) del Problema 20, y se expresa así:
lo que
..
r,:
_r
H' =
Lh-')1,',n'rn+z')f
f
_,.
T r.
,. ,,
,^_r, r
fu=)frt;;l
_Vi * ,.)
zs, --)
Para un medidor de tobera y un venturímetro horizontal, z, : z, y la pérdrda de carga será considerada
mediante el coeficiente de descarga. También, puesto que c" : 1,00,
Il : wrAtVt :
Luego V, aguas arriba
:
V[4wtAy V, aguas abajo
w2A2V2 ftg/seg)
:
WlwrAr. Sustituyendo
#E - #*, = ,'(h)(#)
(ideal) W =
Es más práctico eliminar
Puesto que
operando,
['- (Pr)'--"'"]
rr-@,/.,)\AJAü Yk-1''" "
w, bajo el radical.
y
t
wzlwt: (prlp)'ft,
, dl-.
(ideal) W =
il)zAz
,j-!-'.(p,/w,t x f1 - (prlp')'*-t''*l
| - (Az/A')"(pz/pt)'z/k
(f)
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
146
[cAP.
e
El valor real de W en kglseg se obtiene multiplicando la expresión anterior por el coeficiente c.
A efectos de comparación, la ecuación (.1)del Problema 17 y la ecuación (.1)del Problema 22 (para fluidos
incompresibles) pueden escribi¡se de la forma
w = ue =-J4!9-\/w@p/*)
1/r (Az/At)'z
-
o
w = *KA,l-zs(Lp/*)
La ecuación anterior puede expresarse de una forma más general de manera que sea aplicable a fluidos
compresibles e incompresibles. Se introduce un factor de expansión (adiabático) I y se especifica el valor de ur,
a la entrada. La relación fundamental es entonces
1l/ = 7a,7KA:Y\Egélt/*)
Para fluidos incompresibles,
I, se tiene
I/
: l.
(2)
Para fluidos compresibles, igualando las expresiones (1)
y
(2) y despe-
jando
Este factor de expansión
I
es
una función de tres relaciones adimensionales. La Tabla 8 da algunos valores
típicos para medidores de tobera
y
venturímetros.
Nota: Para orificios y medidores de orificio los valores de f' se determinarán experimentalmente. Los
valores difieren del anterior valor de I porque el coeficiente de contracción no es la unidad ni es una constante.
Conociendo f', las soluciones son idénticas a las que resultan para boquillas y venturímetros. Como fuentes
bibliolográficas se remite al lector a los experimentos realizados por H. B. Reynolds y J. A. Perry.
24, Circula aire a la temperatura de 27" C a través de una tubería de 10 cm de diámetro y de una
tobera de 5 cm. La presión diferencial es de 0,160 m de aceite (Dr : 0,910). La presión manométrica aguas arriba de la tobera es de 2,0 kglcm2. ¿Cuántos kilogramos por segundo circulan para
una lectura barométrica de 1,03 kglcm2, (a) suponiendo que la densidad del aire es constante y
(á) suponiendo unas condiciones adiabáticas?
Solución:
(2,0
la)
+
1,03)10.000
29,3(273
+
27)
:
3,45 kelm3
Aplicando los principios del manómetro diferencial y expresando la altura de presión en metros de
alre! se trene
L,o
u,
0.910 x 1000
-1 :0,160(-"' - l): 0,160(
- l): 42.0 m de aire
rur
Dai¡
3,45
Suponiendo c : 0,980 y empleando la ecuación (/)-del Problema 22 después de multiplicar
por
wL,
lenemos
w
: wtQ : 3,45 x in(strxl)'?(0s*,J !ffi:
0,1e6 ke/see
Para comprobar el valor de c se calcula el número de Reynolds y se utiliza la curva apropiada en el
Diagrama D. [En este caso, to1 : wz! y : 1,57 x 10-3 a la presión normal, dato tomado de la Tabla 1(,8).]
W
A.tL':
Entonces,
D¡\fl
4W
v"d"
-
v
-
-
nd2vu2
I4-
(;tlil1)tt
z
4(0,196)
n(51100)(r,57
x
1,03/3,03)10- (3,4s)
Del Diagrama D se deduce c:0,986. Recalculando, W:0,197
:
2'71.500
kg/seg.
No es necesaria mayor precisión en el cálculo puesto que tanto el número de Reynolds como el valo¡
de c, leído en el Diagrama D, prácticamente no varían.
cAP. el
(bl
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
En primer lugar se calcula la presión y los pesos
pr : Q,00 +
o-'
pt
1,03)10.000
:
30.300
específicos.
:
kg/m2, p,
:3:*:
0,995 y (2f
'w2' :
30.300
(30.300
0,995 (véase
-
42,0
x
3,45)
:
30.152 kglcm'z
cap. 1). Luego wz:3,44 kglm3
I
La Tabla 8 da algunos valores del coeficiente de expansión
se debe
147
definido en el Problema 23. En este caso
interpolar entre las relaciones de presiones 0,95 y 1,00 a fin de obtener Y para prfpt
k:1,40 y dtldt:0,50, obtenemos Y:0,997.
Suponiendo c : 0,980, del examen del Diagrama D y observando que K :
del Problema 23
w:
:
1,032c,
:
0,995. Para
la ecuación
(2)
da
u'tKAzv.rFzg*pl*)
(3,4s\(1,032
x
0,980)
{z(0,05)'?
x
0,997J19,6(42,0)
4W
Rr:
Para comprobar c,
x
:0,195
kg/seg
4(0,195)
nd2vw2 z(0,05)(1,57 x 1,03/3,03)10-'(3,44)
:271.000
yc:
0,986 (Diagrama D, curva p : 0,50).
Recalculando, W :0,196 kg/seg. No es preciso afinar más. Se observa que apenas se introduce error
en la parte (a) al suponer constante la densidad del aire.
25,
utiliza un venturímetro de 20 cm x 10 cm para medir el caudal de dióxido de carbono a20'C.
La diferencia de lecturas en la columna de agua del manómetro diferencial es de 179,5 cm y el barómetro indica 76,0 cm de mercurio. Para una presión de entrada de 1,26 kglcm2 absolutos, calcular el caudal en kg/seg.
Se
Solución:
La presión absoluta a la entrada espr
:
1,26
x
104
kglmt y el peso específico ru, del dióxido de carbono es
*,::::10:,:2,24kstm2
t9,2(273 + 20)
La presión diferencial : (179,5i100)(1000 - 2,24): 1790kglm2 y, por consiguiente, la presión en la garganta : pt : 12.600 - 1790 : 10.810 kg/m2 absolutos.
pt:::::0,860
y *t: (0,860)1/r (véase cap. l).
Para obtener el peso específico r, utilizamos
pt 12.600
wl
Asi, pues, w, : 2,24(0,860¡trt'r : 2,00 kg/m3.
W : wtKAzVu/2gtLplu-r) en kgiseg
Usando k:1,30,d21dt:0,50y prlpl:0,860, Y ('labla 8):0,910 porinterpolación. Suponiendo c:
0.985, del Diagrama E y teniendo en cuenta que K : 1,032c, tenemos
w: (2,24)(r,032 x 0,985) x ]r(10/100), O,S\OJZgUsOl22a¡:2.05 kg/seg
"
Para comprobar el valor supuesto de c, se determina el número de Reynolds y se emplea la curva adecua-
da en el Diagrama E. Del Problema
R¡:
24,
4W
ndrvwr
4(2,0s)
rT(10/100X0.846
x
1,03311,260
x 10 s)(2,00)
:
1,89
x
106
Del Diagrama E, c :0,984. Recalculando, W :2,046 kglseg.
26.
Establecer la relación que limita la velocidad de un fluido compresible en pasos convergentes (velocidad del sonido).
Solución:
Despreciando la velocidad de aproximación en la ecuación de Bernoulli (D) del Problema 20, Capítulo
para un fluido ideal obtenemos
# = ;\(#)['-(#)*-"*-t
6,
(r)
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
148
Además, si se sustituye
(prl*)'B
[cAP.
e
por Qtrfwr)rtk antes de la integración que conduce a la ecuación (D), la
altura de velocidad serla
= *(#)l{y¡"-"^ ']
,oYi
(2)
Vz: czv V3 : c| :
Si el fluido alcanza la velocidad del sonido c, en la Sección 2, entonces
se Capítulo 1). Sustituyendo en la ecuación (2),
kprglw, (véa-
ffi = hrYl [{fr),--',,,' -'1
X = (rft;"''-"
y simplificando
(3)
Esta relación pzlpt se denomina relación de Ia presión crítica y depende del fluido que fluye. Para valores
prlp,, iguales o menores que la relación de la presión crítica, un gas circulará a la velocidad del sonido. La
presión en un chorro libre circulando a la velocidad del sonido será igual o mayor que la presión que lo rodea.
de
27.
Sale dióxido de carbono a través de un orificio de un depósito en el que la presión manométrica
y la temperatura 20" C. ¿Cuál es la velocidad en el chorro (presión barométri-
es de 1,733 kglcmz
ca normal)?
Solución:
De la Tabla l(A), R
:
19,2
yk:
1,30.
pt
RT,
wl
(4¡
pt
critica
0.733
+
1.033)10.000 , Ez ,._ _ 3
: t.]h Ks,m_
19.2(273
+
20)
: 1, 2 - ¡rrr-'' : 1-2
'2.30 ,'''0/0'30 k+1'
Relación
atmósfera:
|
t*r.ffior-"
I,033
a.766:
0'542
o'll8
Puesto que esta última relación es menor que !a relación de presión crítica, la presión de escape del gas
pr. Por consiguiente, pz:0,542 x 8,733 4,'14 kglcm2 absolutos'
:
0,542 x
:
vz:cz:@:Jusf
donde
TrlTr:
(p2lp)G-l'tk
:
(0,542)0'30/1'30
-
0,868, 72
:254" K.
Entonces.
24,9 mlseg.
28.
Vr: J245 254:
"
Circula nitrógeno a través de un conducto en el que existen cambios de sección. En una seccrón
recta particular la velocidad es de 360 m/seg, la presión 0,84 kg/cm2 absolutos y la temperatura
32" C. Suponiendo que no hay pérdidas por rozamiento y que se dan condiciones adiabáticas,
(a) hallar la velocidad en una sección donde la presión es 1,26 kglcm2 y (á) determinar el número
de Mach en esa sección.
Solución:
Para el nitrógeno,
(a\
R:
30,25
y k:1,40 fde la Tabla 1(l) del Apéndice].
La ecuación (D) del Problema 20, Capítulo 6, para condiciones adiabáticas puede escribirse de la forma
V3 vi
ú-
';
k tqt.r-l
(;)'--'
= E=(;')
| '-
en donde no se ha considerado la pérdida de carga
-'l
y zt :
zz..
cAP. el
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
El peso específico del nitrógeno en la sección 1
(b)
ES
0.84 x tOa
Dr
' RT,: 30,25(273 + 32\ : ogl kg/mt (o usar prlw, : RTr)
1)6
vl Gíol' :-l 1.40 0.84 x lOa ^
bntonces.
(ffi)o'aort'+o] de donde Vz:227 mlse$.
^ - 29
29
0.40' 0,91 'L lvt
Tt: (O*'1"'
1.26 ^._
Número de Mach o
' :1,123
-)l dorrde aTl : (p2\$-1vk
'pt'
c2- -L,
305
Jkgnrt
227
Luego Tz:342 K y número de Mach :
29.
t49
Desarrollar
0,605.
la fórmula teórica que da el caudal para un vertedero rectangular.
l.
A
ht
ltz
ht
l*-'=w-4
Fig.9-7
Solución:
Consideremos la abertura rectangular de la Fig. 9-7, que se extiende a toda la anchura W del canal (b : W).
Con la superficie del líquido en la posición dibujada a trazos, la aplicación del teorema de Bernoulli entre A y
una banda elemental de dy de altura en el chorro conduce, para condiciones ideales, a
(0
+
V1l2s
+ y)
-
sin pérdidas
:
(0
+ VlJ2g + 0)
donde Vn representa la velocidad media de las partículas que se aproximan a la abertura.
Así.
y
la
Z"n ideal
:
(ideal)clQ
,ECL7
-
d.A
+nilrC)
V"¡ =
(ideal)Q
Un vertedero existe cuando h,
:
(b
=
d.y\V"¡
bt/2s
-
nh,
Jo,
=
(U
+
V"o/2g),/" da
fu +V,o/zs), , da
0. Sustituyendo
para obtener el caudal real se tiene
U{2g
h,
por
H e introduciendo un
coeficiente de descarga c
_f"
Q = cbt/2s I ty+v|/zs)',da
vo
= ficb1/zs [(H +v1/zg¡"/2 - (v'zA/2s)s/,1
= mbl(H +v"o/2gl'/" - (v1/2g)",r1
(r)
Nctas:
(1) En un vertedero rectangular con contracciones laterales de la lámina, éstas originan una reducción
del caudal. La longitud ó se corrige para tener en cuenta esta condición y la fórmula se transforma en
Q = m(b-hH)l(H*v,^/2s)"/, _
(v,o/2g)"/"1
(21
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
150
[cAP.
e
En vertederos grandes y en la mayor parte de los vertederos con contracción lateral de la lámina, la
altura de velocidad es despreciable y entonces
(2)
Q
:
m(b
Q
:
mbH3tz
- hmutt'
para vertederos con contracción
(r)
para vertederos sin contraccrón
(4)
El coeficiente de descarga c no es constante. Comprende numerosos factores no incluidos en la derivación, tales como la tensión superficial, viscosidad, distribución no uniforme de la velocidad, flujos secunda-
(3)
rios
y
otros.
Deducir la fórmula teórica del caudal a través
de un vertedero triangular. Véase la figura
30.
adjunta.
Solución:
Del Problema 29 anterior,
'V"¡:@
(ideal) dQ
Y
: dAV.h:
x dYJ2gY
Por semejanza de triángulos,
-'
!:H
H
b
Luego (real)
Integrando
y
Q:
y' b: zn te2
-'2
@ln)cJzs
l!
- y\y't'
(H
Fig.9-8
dy.
a:+cu@n5r2tglo
sustituyendo
(1)
es el que tiene una abertura de 90". En este caso, la expresión (1) se transforma
en donde, para alturas de carga superiores a 0,3 m, un valor medío de c es 0,60 aproxima-
Un vertedero en V corriente
en
e:2,36c1ft2,
damente.
sobre un vertedero sin contracciones de 2,4 m de ancho y 0,9 m de altura, la
mantuvo constante e igual a 0,300 m. En 36 seg se recogieron 27.000 litros de agua.
Hallar el factor n del vertedero en las ecuaciones (1) y (4) del Problema 29.
31. Durante un ensayo
altura de carga
se
Solución:
(a) Caudal en m3/seg. Q:27.OOOIÍ000 x 36):0,75
(b) Velocidad
de aproximación. V
:
Ql,S -- O,lSlQ,4
V'l2s :
(c)
Aplicando (1), Q
o
y m:
:
mbl(H
+
V2l2s)3t2
0,75
:
m
x
-
m3/seg.
x 1,2):0,260
Q,26)212s :
m/seg' Luego
0,00345 m
(V2lZg¡ztz1
2,a[(0,300
+
0,00345)3/2
-
(0,00345)3/'z]
1,87.
Aplicando(4),Q:0,75:mbH3t2:mx2,4x(0,300)3t2
y m : 1,90 (aproximadamente 1,6 \ mayor al despreciar el término de la velocidad
32.
de aproximación).
Determinar el caudal a través de un vertedero sin contracciones de 3,0 m de largo y t,2 m de alto,
bajo una altura de carga de 0,900 m. El valor de ru es L,90.
Solución:
Puesto que el término de la altura de velocidad no puede calcularse, un caudal aproximado
Q
:
mbH3t2
:
1,90(3x0,900¡trz
-
4,867 m3/seg
es
cAP. gl
t5r
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
Para este caudal, V:4,8671Q
blema 29,
0:
x 2,1):0,772 mlsegy V'l2g:0,030 m. Aplicando la ecuación (1) del Pro-
1,90(3)[(0,900
+
0,030¡:rz
-
(0,030)3/,]
:
5,082 m3/seg
Este segundo cálculo muestra un incremento de 0,215 m3/seg, o sea, aproximadamente un 4,4/. sobre el
primer cálculo. Generalmente no están justificados cálculos más finos, es decir, más allá de la exactitud de la
propia fórmula. Sin embargo, y a título ilustrativo, la velocidad de aproximación revisada sería
y
V:
0:
33.
5,0821Q x 2,1) :0,807 m/seg
V'l2s: 0,033 m
(0,0:l¡:rz1
5,102 m3lseg
1,90(3)[(0,900 + 0,033)3/2
:
-
Un vertedero sin contracciones de 7,5 m de largo desagua 10 m3/seg a un canal. El factor del ver: 1,88. ¿Qué altuna Z (precisión de 1 cm) debe tener el vertedero si la profundidad del
agua detrás del vertedero no excede de 1,8 m?
tedero es m
Solución:
Velocidad de aproximaciót
V: QIA: l\l],5 x 1,8): 0,74 mlseg.
Entonces, t0:
7,51(H
1,88
Altura del vertedero Z
:
x
1,80
-
*(0']41'r..r,
29
0,77
:
,
- l\']a)'y,r1
29
H:0,71
m.
1,03 m.
34. Sevaainstalarenuncanal
de2,4 mdeanchounvertederoconcontraccionesde l,2mde altura.
El caudal máximo a través del vertedero es de I,62m3 lseg cuando la profundidad total detrás del
vertedero es 2,1 m. ¿Cuál será la anchura del vertedero a instalar si m:1,87?
Solución:
Velocidad de aproximación V
velocidad es despreciable, se tiene
Q:
35.
m(b
-
:
QIA
:
1,621Q,4
x 2,1):
1,62:1,87(b
hn¡1s¡'r"
-rt
0,321 m/seg. Como en este caso
x 0,90x0,90)3/'z, b:1,20
la altura
de
m.
El agua evacuada a través de un orificio de 15 cm de diámetro (c : 0,600), bajo una altura de carga
de 3,0 m, pasa a un canal rectangular y por un vertedero con contracciones. El canal tiene 1,8 m
de ancho y,para el vertedero, Z: l,50my b:0,30 m. Determinar la profundidad de agua en
el canal si m : 1,84.
Solución:
La
descarga
a través del orificio
es
e: c,aJ2gh: o,áoo , in(0,t5)'r/2se,o): 0,081 m3/seg
Para el vertedero, Q : m(b - hn¡1n¡'rt (se desprecia la altura de velocidád)
o
0,081 : 1,94(0,30 _ 0,20H)H3t2 y l,5H3t2 _ Hstz :0,220
Por tanteos sucesivos,
36.
H:0,33
m; y la profundidad:Z+ H --1,50 + 0,33:1,83
El caudal de agua a través de un vertedero triangular de 45"
tura de carga sobre el vertedero para
c:
m.
es de 0,020 m3/seg.
Determinar la al-
0,580.
Solución:
a
: trJzc
1ts
!0¡nsr2,
0,020
:
g1o,saoffi Gs 22,s.)Hst2, H
:
0,263 m
t52
37.
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
e
¿Cuál deberá ser la longitud de un vertedero trapezoidal (Cipolletti) de manera que la altura de
carga sea 0,47 m para un caudal de 3,45 m3/seg?
Solución:
Q
38.
[cAP.
: 1,861bH3t2, 3,45 : t,86tb(0,47)3t2, b :
5,75 m
Establecer la fórmula para determinar el tiempo de descenso del
nivel de un líquido en un depósito de sección recta constante mediante un orificio. Véase la fisura adiunta.
"--=-
dh
I
t
Solución:
Puesto que la altura de car:ga varía con el tiempo, sabemos que AVl1t I 0,
es decir, el flujo no es estacionario. Esto significa que la ecuación de energía
debe corregirse introduciendo un término de aceleración, que complica mucho
la solución. En tanto que la altura de carga no varíe demasiado rápidamente,
no
se
introducirá un apreciable error al suponer el flujo estacionario y, por
consiguiente, despreciar el término de carga de aceleración. En el Problema 39
se da una comprobación apr,rximada sobre el error introducido.
Fis.9-9
CASO A.
Si no existe fluio de ent.rada. el caudal instantáneo será
e = cA.t/W
m3/seg
En un intervalo de tiempo dt, el pequeño volumen dV evacuado será Q dt. En el mismo intervalo de tiempo,
la altura de carga disminuirá dh m y el volumen evacuado será el área del depósito A, por dy'r. Igualando estos
valores.
(c
A"l/zsh)
dt = -Ar
dl¿
donde el signo negativo indica que á disminuye al aumentar
^t^
| = Jl"a,
=
t,
| = tz - tt =
l.
Despejando
t, se obtiene
,
^h^
-tr=l"h-tt'zdh
cA.l/29 J h,
'o=
cA"t/2s
(htrz
- ¡trz¡
(r)
Al aplicar esta expresión puede emplearse un valor medio del coeficiente de descarga c sin que ello produzca un error significativo en el resultado. Como /r, es próximo de cero, se formará un vórtice y el orificio dejará
de dar un flujo completo. Sin r:mbargo, haciendo hz : 0 no se originará en la mayoría de los casos un error importante.
La ecuación (.1) puede escribirse también, al multiplicar
y dividir por
A,(h-
(hlt2
hz\
$@e.t/zon' + cA"tQgh,)
Teniendo en cuenta que el volumen evacuado en el tiempo (tt - tt) es Ay(h1
plifica a
t
- t2
,,
:
uol:T:"
:u1"Tdo
l(e, + e)
+
hrt'), de la forma
(2)
-
:
hr), esta ecuación se sim(.3)
El Problema 14 ilustrará un caso en que la sección recta del depósito no es constante aunque pueda exprefunción de á. Otros casos, tales como recipientes vaciándose, se salen del objeto de este libro
(véanse los textos de Water Supply Engineering).
sarse como una
Caso B.
Con un flujo de entrada constante menor que el flujo a través del orificio,
-A,d.tt.
= (Q""t-Q")dt
y
t = tz-r, = Í:,#+^
Si Q. es superior a Q", la altura de carga aumentaría como es lógico.
r53
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
cAP. el
39. Un depósito
de I,2 m de diámetro contiene aceite de 0,75 de densidad relativa. Cerca del fondo
del depósito se instala un corto tubo de 7,5 cm de diámetro (c: 0,85). ¿Cuánto tiempo tardará
en bajar el nivel del aceite de 1,8 m a 1,2 m por encima del tubo?
Solución:
t
:
tz
- ,, : -241--(h|z
cA.J29
httr¡
2x
:
0,85 x
f,n(1,2)2
(l,8ttz
inr,,ols¡"@'-'
A fin de evaluar el efecto aproximado al suponer el flujo estacionario,
po ¡es
- Jrdr2)
av _LV _ tr5cí,8)
At- Lt
4,42s(r,340
-
-
l,2rt2)
:
33,3 seg
el cambio de velocidad con el tiem-
1,09s)
:
0,0325 m/seg2
Esto representa aproximadamente j % de S, o sea, una despreciable adición a la aceleración g. Una tal precisión no está justificada en estos ejemplos de flujo estacionario, particularmente cuando los coeficientes de los
orificios no se conocen con tanta exactitud.
40.
La altura de carga inicial sobre un orificio era2,7 m y cuando el flujo se detuvo la altura de carga
medida era 1,2 m. ¿Bajo qué altura de carga fI constante evacuaría el mismo orificio el mismo
volumen de agua en el mismo intervalo de tiempo? Se supone constante el coeficiente c.
Solución:
Volumen bajo carga decreciente
+cA"l2s (hi/' + hL/\
Sustituyendo
41.
y operando,
+tF +
:
x¿:
trtr y
"tV¡:
volumen bajo carga constante
¿¿"1f2sH
H :1,88
x
t
m.
Un depósito tiene la forma de un cono truncado con2,4m
de diámetro en la base superior y 1,2 m de diámetro en
2,40
m
D
la
base inferior. El fondo contiene un orificio cuyo
coeficiente medio de descarga es 0,60. ¿Cuál deberá ser
el diámetro del orificio para vaciar el depósito en 6 minutos si la altura de carga inicial es de 3,0 m? Véase la
figura adjunta.
Solución:
Del Problema
38.
d,t
= -A, d.h
cA,l/-Zgndt = -rr'dh
y, por semejanza de triángulos, xll,2 :
Q
(0,60
x +rd?.\/Z
azf at
Puesto que I dt
dz =
Integrando
:
:
y
x
+
dt : -o(3 !-h)z
h\16. Entonces,
¡
h-t/zdlL
,l
h,
,20 m
Dü
L --i-
,*#kr/uJ'r,
*
I
tl\2tr-'\/2dh
:t'
-t
360 segundos,
*n
360
(3
25
ft
x0,60V2sro
operando, obtenemos d2
(9lt-'t'l6ht''*¡atz\d.h
:
0,00975
y d:0,0987 m. Emplear d : l0
Fig.9-r0
cm.
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
154
[cAP.
e
42, Dos
depósitos cuadrados tienen una pared común en la que está dispuesto un orificio que tiene
230 cm2 de área y un coeficiente igual a 0,80. El depósito A tíene 2,4 m de lado y el nivel inicial
de agua está a 3 m por encima del orificio. El tanque B tiene I,2 m de lado y el nivel inicial de agua
está a 0,9 m por encima del orificio. ¿Cuánto tiempo tardará el agua en alcanzar el mismo nivel
en los dos depósitos?
Solución:
En un instante dado la diferencia de nivel de las superficies puede tomarse como altura de carga
i.
En-
Ionces.
Q:0,80x0,02312gh
y la variación de volumen du :
Q dt
:
0,0814!th dt.
En este intervalo de tiempo dtlavariación de la altura de carga es dú. Considérese que el nivel en el depósito ,4 desciende dy; entonces el correspondiente ascenso de nivel en el depósito -B será la relación de las áreas
por dy, o sea, (5,76/l,44)dy. La variación de la altura de carga es, pues,
dh
La variación
o, en función de
de volumen
es
dD
:
dy
+
dy l:
-- 2,4 x 2,4 x
du
dú,
Igualando los valores de
(5,7611,44)dy
r/u, 0,0u4!ndt:
:
:
sdy
x
1,2
(5,7615)dh
-1,1520dh,
:
1,2
x
(5,1611,44)dyf
r,r52dh
*:;t:!1,?,0[o
0,0814J 2,r
h-u'z
dh, ¡:41,0
seg.
El problema puede resolverse también aplicando el caudal medio expresado en la ecuación (3) del Problema
38.
O-
:
1[0,80
" o.oüJzg2¡] :
0,059 m3/seg
El depósito A baja ¡ metros mientras el B sube (5,7611,4$y metros con la variación total de nivel de 2.1 m;
entonces, y + 4y : 2,1 e y : 0,42 m. Así, pues, variación en volumen : 2,4 x 2,4 x 0,42 : 2,42 m3 y
t:-
volumen 2,42 :41,0seg
0,059
medio
Q
variación en
43. Desarrollar la expresión que da el tiempo de descenso del nivel de un líquido
que o canal mediante un vertedero sin contracclones.
en un depósito, tan-
Solución:
8dt - -ArdH (comoantes) o
Luego
r
(mLHs/2)d.t
= -ArdH.
= Jttf," o, = #mL JHl
f,: H 32dH o
r = tz-r, - 24ru|, -
H,,,).
U, Un canal
rectangular de 15 m de largo y 3 m de ancho alimenta un vertedero sin contracciones
bajo una altura de carga de 0,300 m. Si la alimentación del canal se corta, ¿cuánto tiempo |ardará
en descender la altura de carga sobre el vertedero a 10 cm? Emplear m : 1,83.
Solución:
Del Problema
43,
-:l
t_
:21.9see.
"/0,:oo-
45.
Determinar el tiempo necesario para establecer el flujo en una tubería de longitud L bajo una altura de carga H constante descargando en la atmósfera, suponiendo una tubería inelástica, un
fluido incompresible y un factor de fricción / constante.
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
cAP. el
r55
Solución:
La velocidad final V, puede determinarse a partir de la ecuación de Bernoulli
Lvi .v7 = (o+fr+o)
,^ , vi
H-fi*-r¡i
En esta ecuación, las pérdidas menores se representan por el término kvll2g, y la energía en el chorro al
final de la tubería es energía cinética representada por Vll2s.Esta ecuación puede escribirse de la forma
fr-,+g
d
L-
=
2s-)
o
(r)
donde Zu es la longitud equivalente de la tubería para el sistema (véase Problema 6, Capítulo
8).
De la ecuación del movimiento de Newton, en un instante dado
w(AH,\ M+
- YAtt4!.
dtgdt
donde I/" es la altura de carga efectiva en ese instante
Reagrupando la ecuación,
y V es una función del tiempo y no de la longitud.
..
| wAL \sv
,t+ -
\sLUAHJ "'
Ldv
sH"
(2)
En la ecuación (/), para todos los valores intermedios de V el término entre corchetes no es cero, sino la
altura de carga efectiva utilizable para causar la aceleración del líquido. Por consiguiente, la expresión (2) puede escribirse de la forma
Ldv
f ;r;e Iz
^L, V",
w)
Puesto que de
(7),
*¡ : fr, I ot = f f@+#WI
,
^t
lsr-Ll'vrdr'
-
Jn"'
o
sH
Se observará que
cuando Zse aproxima a V¡, (V¡
de a infinito.
Empleando el símbolo
$
V=
tr2
J" V=W""
V¡a
.. dv_
'dt
Z) tiende a cero y, por tanto, matemáticamente,
V
nfrt-rlrp =
#r,-r',
tkló/dt),
l tien-
,),,^tllú¡
Integrando,
'n
(5)
obtenemos
d6
l-e"
ycuando t=0,C=0.
-
(lr)
para la relación VlVr, la ecuación (3,8) puede reagruparse de la forma
#
Haciendo
nl',
(38\
LV¡tn ,V¡ * V,
t. = 2gHlv, - y)
Integrando,
(34)
nl¡---
I
(fi/
sH dt
V¡L
gHt.
i,L .
rt
Luego
'l-fÁ
l-O
Utilizando las funciones hiperbólicas, d
^2otlr/V, L
: Th (gHtlVrL), y puesto qte Q : y¡yr,
v = vt Th{!:
YfL
(6)
La ventaja de la expresión (ó) es que el valor de la velocidad V e¡ función de la velocidad final Z, puede
calcularse para cualquier tiempo.
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
r56
6.
[cAP.
e
Simplificar la ecuación (4) del problema anterior que da el tiempo necesario para establecer el
flujo en los casos en los que la velocidad Z sea igual a (a) 0,75, (ó) 0,90, (c) 0,99 veces la velocidad final Vr.
Solución:
@l t:
LV, vt ]4^
_' I :
útnLv¡ - o.t5vr-
l!.x23026t
2gH
te
!u.¿): s.er L!!
gH
l'90
l'90
(bt -, : tJt ln
: tLVt x2.3026t
: "'ln
"'
--- ' -gH
2gH 0.10 ' 2sH "-'0.l0 r.472LVl
l'99:
l'99
:2.64'7Lyr
rc) ',:Ut ln
tLVtx2.3o26t ln
2gH"'0,01 '2eH"-'---"' '- 0.01 -'- gH
47.
De un depósito sale agua a través de una tubería U : 0,02) de 600 m de longitud y 30 cm de diámetro. La altura de carga es constante e igual a 6 m. Las válvulas y conexiones en la línea producen unas pérdidas evaluadas en 2l(V2 l2g). Después de abrir una válvula, ¿cuánto tiempo tardará en alcanzarse una velocidad equivalente al 90/" de la velocidad final?
Solución:
La aplicación de la ecuación de Bernoulli entre la superficie del depósito y el extremo de la tubería da
(0
o
sea, 11
:
[0,02(600/0,3)
del Capítulo
+
U@ld) + 2r,0lV2l2g: (0 + v2l2g + 0)
22)V2l2s:62(V2l2g). Aplicando el procedimiento empleado en el Problema
+ 0 + H)
8,
62(V2l2d
:
-
0,02(LEl0,3)(V'l2d
o
Ln
Puesto que la ecuación (4) del Problema 45 no contiene el término
:
lr,
6
930 m
la velocidad final debe calcularse
como slgue:
H
: 'd2s
rL-! ü
@
"o v,r :^\,1l'¿gl:
fL, !0,02(930)
Sustiruyendo en (á) en el Problema 4ó, se obtiene
48.
:
r,38 m/ses
t: l.472f0ol!:st:20.7
segundos.
En el Problema 47, ¿qué velocidad alcanzará en 10 segundos y en 15 segundos?
Solución:
En la ecuación (ó) del Problema 45, se calcula gHtlVrL.
para r0 seg.
2#4r,
. *o:0.710. Para 15 seg. T+=#:
Empleando una tabla de funciones hiperbólicas
para 10 seg,
para 15 seg,
Se observará que el
anterior, el
r.065
y la ecuación (6), V : Vt Th gHtlVtZ,
obtenemos
V:1,38 Th 0,710: 1,38 x 0,611 :0,843 m/seg
V:1,38 Th 1,065: 1,38 x 0,788: 1,087 m/seg
valor de VlV, está representado por el valor de la tangente hiperbólica. En la solución
velocidad final se alcanzan en 10 y 15 segundos, respectivamente.
6l%y el79\dela
cAP. el
t5l
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
Problemas propuestos
49.
A través de una tubería en la que está centrado un tubo de Pitot estáticq, que tiene un coeficiente de 0,97,
circula trementina a 20' C. El manómetro diferencial de mercurio indica una diferencia de lecturas de 10 cm.
So/. 5,22 mlseg
¿Cuál es la velocidad en el centro?
50.
Por un tubo de Pitot estático circula aire a 49" C a la velocidad de 18 m/seg. Si el coeficiente del tubo es
0,95, calcular la diferencia de lecturas en el manómetro diferencial de agua, suponiendo que el peso específico
So/. 2,0 cm
del aire a la presión atmosférica es constante.
51.
La pérdida de carga a través de un orificio de 5 cm de diámetro bajo una cierta altura de carga es 0,162 m y la
velocidad del agua en el chorro es 6,75 m/seg. Si el coeficiente de descarga es 0,61, determinar la carga que produce el flujo, el diámetro del chorro y el coeficiente de velocidad. Sol. 2,49 m, 3,97 cm, 0,967
52.
¿Qué diámetro de orificio normal se requiere para evacuar 0,0151 m3/seg de agua bajo una altura de carga de
Sol. 5 cm
8,55 m?
53.
Un orificio agvado tiene un diámetro de 2,5 cm y unos coeficientes de velocidad y contracción de 0,98 y
0,62,
respectivamente. Si el chorro cae 0,924m en una distancia horizontal de2,457 m, determinar el caudal en m3/seg
y la altura de carga sobre el orificio
Sa/. 0,0017 m3/seg, 1,666 m
v.
A través de un orificio de 7,5 cm de diámetro circula, desde un depósito cerrado, aceite de densidad relativa 0,800
arazór de 0,025 m3/seg. El diámetro del chorro es 5,76 cm. El nivel del aceite es 7,35 m por encima del orificio
y la presión de aire es equivalente a - 15 cm de mercurio. Determinar los tres coeficientes del orificio.
Sol.
!5.
0,584, 0,590, 0,990
Con referencia a la Fig.9-11, el orificio de 7,5 cm de diámetro tiene coeficientes de velocidad y contracción de
0,950 y 0,632, respectivamente. Determinar (a) el caudal para la lectura manométrica de mercurio indicada y
(á) la potencia del chorro.
Sol. 0,0281 m3/seg. 1,94 CV
El
3,40 m
7,5 cm D
Fie.9-11
56.
Fig.9-12
Con referencia a la Fig. 9-12, fuel-oil pesado a 15,5'C circula a través de un orificio de 7,5 cm al final de la tubería, originando la diferencia de nivel de mercurio en el tubo manométrico. Determinar la potencia del chorro.
Sol. 2,8 CV
57.
En algunos casos, las locomotoras de vapor toman agua por medio de una cuchara que se sumerge en un largo
y estrecho canal situado entre los raíles. Si la elevación sobre el canal es de 2,7 m, calcular la velocidad en km,/h
a que debe marchar el tren (despreciando el rozamiento).
Sol. 26,2 kmlh.
58.
Circula aire a 15,5" C a través de un amplio conducto y de ahí a través de un orificio de 7,5 cm de diámetro practicado en capa fina (c : 0,62). Un tubo manométrico conteniendo agua da una lectura de 3,1 cm. Considerando
que el peso específico del aire se mantiene constante, ¿cuál es el caudal, en kg/min, a través del orificio?
Sol. 4,48 kglmin
59.
Un aceite de 0,926 de densidad relativa y viscosidad de 350 Saybolt-segundos circula a través de un orificio
de
7,5 cm de diámetro situado en una tubería de 12,5 cm de diámetro. El manómetro diferencial registra una caída
de presión de 1,5 kg/cm2. Determinar el catdal Q.
So/. 0,05235 m3/seg
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
158
[cAP.
e
60.
Una boquilla de 5 cm de diámetro en la sección de salida, se conecta en la extremidad de una tubería horizontal
de 20 cm de diámetro. Los coeficientes de velocidad y contracción son, respectivamente, 0,976y 0,909. Un manómetro coneCtado en la base mayor de la boquilla y situado a 2.15 m sobre su linea central da una lectura de
2,25 kglcm2. Determinar el caudal de agua en m3/seg.
Sol. 0,0384 m3/seg
61.
Cuando el caudal de agua que atraviesa un venturímetro horizontal (c:0,95) de 30 cm x 15 cm es de 0,111
m3/seg, hallar la diferencia de lecturas en el manómetro diferencial de mercurio conectado al medidor.
Sol. 16.6 cm
62.
Cuando el caudal de agua que pasa a través de un venturimetro de 30 cm x 15 cm es de 0,115 m3/seg, el manómetro diferencial indica una diferencia de lecturas de 2,20 m. ¿Cuál es el coeficiente de descarga del venturímetro
63.
64.
?
So/.
0,960
La pérdida de carga a la entrada de la garganta de un venturimetro de 25 cm x 12,5 cm es l/16 la altura de velocidad en la garganta. Cuando el manómetro diferencial de mercurio señala una diferencia de lecturas de 10 cm,
Sol. 0,061 m3/seg
¿cuál es el caudal?
Por un venturímetro de 30 cm
x
15
cm (c
:
0,985) pasan 0,0547 m3/seg de agua, siendo la diferencia de lecturas
del manómetro diferencial 0,63 m. l,Cuál es la densidad relativa del líquido del manómetro?
65. A través de un venturímetro
de 30 cm
x
15 cm circula metano
So/.
|,7
a 15,5" C a razón de 7,5 kg/seg. La presión a
5
la
entrada del medidor es 3,5 kg/cm2 absolutos. Empleando k:1,31, R - 52,8, v:1,8 x 10 s m2/seg a 1atmósfera y W:0,666 kg7m3a 20 Cy I atmósfera,calcularladiferenciadelecturasenelmanómetrodiferencial
de mercurio
Sol. 0,354 m
66.
Circula agua por una tubería de 15 cm en la que se ha instalado una boquilla de aforo del Problema 66 a27'C a
razón de 0,045 m3/seg. ¿,Cuál será la diferencia de lectu¡as en el manómetro diferencial? (Emplear Diagrama D.)
So/. 0,403 m
67.
Por la boquilla de aforo del Problema 66 circula agua a 27o C a razón de 0,045 m3/seg. ¿,Cuál será la diferencia
de lecturas en el manómetro diferencial? lEmolear el Diasrama D.)
Sol. 0,403 m
68.
Si en el Problema 67 circula un aceite impermeable al polvo a 27" C a razón de 0.045 m3/ses. ,:.cuál será la dilerencia de lecturas en el manómetro diferencial de mercurio?
So/. 0.382 m
69.
Si circula aire a 20" C por la misma tubería y boquilla del Problema 66, ¿cuántos kilogramos por segundo circularán si las presiones absolutas en la tubería y en el chorro son 2,10 kg,/crn2 y 1,75 kg/cm2. respectivamente'l
So/.
1.662 kglseg
70.
¿Qué profundidad de agua debe existir aguas arriba de un vertedero sin contracciones de cresta viva de 1,5 m
de largo y 1,2 m de alto cuando pasa a través de un canal de 0,2'7 msiseg? (Aplica¡ la fórmula de Francis.)
So/. 1.414 m
71.
Un caudal de 0,85 m3/seg circula en un canal rectangular de 1,20 m de profundidad y 1.8 m de anchura. Hallar
la altura a la que debería colocarse la cresta de un vertedero sin contracciones de cresta viva para que el agua
no rebose los bordes del canal. fu - 1.84.\
So/. 0,80 m
72. Un caudal de 10,5 m3/seg pasa a través
de un vertedero sin contracciones cuya longitud es 4,8 m. La profundidad total aguas arriba del vertedero no debe exceder de 2,4 m. Determinar la altura a que debería situarse la cresta del vertedero para transportar este caudal. (m:1,84.)
So1. 1.326 m
73.
Un vertedero sin contracciones (m : 1,84) bajo una carga constante de 0,10 m alimenta un depósito que tiene
un orihcio de 7,5 cm de diámetro. El vertedero, de 0,60 m de largo y 0,80 m de alto, se instala en un canal rectangular. La pérdida de carga a través del orificio es 0,60 m y c. : 0,65. Determinar la altura de carga a la
cual asciende el agua en el depósito y el coeficiente de velocidad para el orificio.
So/. h : 8,28 m, c, : 0,96
74.
Un vertedero con contracciones de 1,2 m de largo está situado en un canal rectangular de 2,7 m de ancho. La
altura de la cresta del vertedero es 1,10 m y la altura de carga 37,5 cm. Determinar el caudal, empleando m - 1.87
Sol. 0,483 m3/seg
75,
Un vertedero triangular tiene un ángulo de 90". ¿Qué altura de carga producirá 4800 l,/¡¡i¡r
76.
Una tubería de 90 cm de diámetro, que contiene un venturímetro de 90 cm x 30 cm, suministra agua a un canal rectangular. La presión a Ia entrada del venturímetro es 2,10 kg/cm2 y en la garganta 0,60 kgicm2 Un vertedero sin contracciones (nt:1,84), de 0,90 rn de alto, situado en el canal, descarga bajo una altura de carga
de 22,5 cm. ¿Cuál es la anchura probable del canal?
So/. 6,20 m
Sol
0,322 m
159
MEDIDAS EN FLUJO DE FLUIDOS
cAP. 9l
77.
Circula agua a través de un vertedero sin contracciones (ru : 1,84) de 3,6 m de largo y 0,6 m de alto. Para una
Sol. 1,477 m3lseg
carga de 0,360 m, hallar el caudal en m3/seg.
78.
Un depósito de 3,6 m de largo y l,2m de ancho contiene l,2mde agua. ¿Cuánto tiempo tardará en bajar el
agua a 0,3 m de profundidad si en el fondo del depósito se abre un orificio (c
:
0,60) de 7,5 cm de diámetro?
Sol. 404 seg
79. Un depósito rectangular de 4,8 m por 1,2 m contiene 1,2 m de aceite de 0,75 de densidad relativa. Si tarda 10
minutos y 5 segundos en vaciarse el depósito a través de un orificio de l0 cm de diámetro situado en el fondo,
determinar el valor medio del coeficiente de descarga. So/. 0,60
80.
En el ProblemaTg,para un coeficiente de descarga de 0,60, ¿a qué altura quedará el aceite en el depósito después
Sol. 0,305 m
de estar fluyendo por el orificio durante 5 minutos?
81.
Un depósito de sección recta trapezoidal tiene una longitud constante e igual a 1,5 m. Cuando el agua está a una
altura de 2,4 por encima de un orificio (c : 0,65) de 5 cm de diámetro, la anchura de la superficie de agua es
1,8 m y, a 0,9 m de altura, la anchura de la superficie de agua es 1,2 m. ¿Cuánto tiempo tardará en bajar el niSol. 470 seg
vel del agua de 2,4 m a 0,9 m?
82.
Al final de un depósito de sección cuadrada de 3 m de lado está situado un vertedero sin contracciones. Si la
altura de carga sobre el vertedero es 0,6 m, ¿cuánto tiempo tardarán en salir 3,6 m3 de agua del depósito? (nr
1,84.) Sol. 3,08 seg
:
83.
Un canal rectangular de 18 m de largo por 3 m de ancho desagua su flujo a través de un vertedero sin contracciones de 3 m de largo bajo una altura de carga de 0,3 m. Si la alimentación se corta instantáneamente, ¿cuál
Sol. 0,074 m
sera la altura de carga sobre el vertedero a los 36 segundos? (m -- 1,84.)
84.
Dos orificios situados en la pared de un depósito están distanciados 1,8 m verticalmente uno de otro. La profundidad total del agua en el depósito es 4,2 m y la altura de carga sobre el orificio superior es 1,2 m. Para
los mismos valores de c,, demostrar que los chorros chocan en el mismo punto del plano horizontal sobre el que
reposa el depósito.
85.
evacua 0,34 m3/seg de agua bajo una altura de carga de 44 m. Este caudal
pasa un canal rectangular de 3,6 m de ancho alcanzando una altura de 0,9 m, y de ahí a un vertedero con contracciones. La altura de carga sobre el vertedero es 0,3 m. ¿Cuál es la longitud del vertedero y el coeficiente del
orificio? Sol. 1,186 m, c : 0,655
86.
La altura de carga sobre un vertedero sin contracciones G de 3,6 m de largo es 0,33 m y la velocidad de aproximación puede despreciarse. Para el sistema indicado en la Fig. 9-13, ¿cuál es la altura de presión en .B? Dibujar
Sol. 63,6 m
las líneas de alturas piezométricas.
Un orificio de 15 cm de diámetro
El
m-40cmD,Cr:130
24.0 m
) . El. l2.Um
É3
-90cmD
y=3r2-l
Fig.9-13
c.,
/-
Fig.9-14
Fig.9-11
c:
:
:
0.968
0.620
Fig.9'r5
87. En la Fig. 9-l4 la elevación de la línea de alturas piezométricas en ,B es 15 m y las tuberías BC y BD están dispuestas de modo que el caudal se divida por igual a partir de 8. ¿Cuál es la elevación de la extremidad de la
iubería en D y ouál es la altura de carga que habní sobre el orificio E de 10 cm de diámetro?
Sol. El. 7,2 m, h:6,33 m
88.
Para el depósito representado en la Fig. 9-15, empleando un coeficiente medio de descarga de 0,65 para el orifiSo/. 660 seg
cio de 5 cm de diámetro, ¿cuánto tiempo tardará en bajar el nivel del líquido 1,2 m?
Capitulo
10
Flujo en canales abiertos
CANAL ABMRTO
Un canal abierto es un conducto en el que el líquido fluye con una superficie sometida a la presión
atmósferica. El flujo se origina por la pendiente del canal y de la superficie del líquido. La solución exacta de los'problemas de flujo es difícil y depende de datos experimentales que deben cumplir una amplia
gama de condiciones.
FLUJO UNIFORME Y PERMANENTE
El flujo uniforme y permanente comprende dos condiciones de flujo. El flujo permanente, como
flujo en tuberías, se refiere a la condición según la cual las características del flujo en un
punto no varían con el tiempo (evlót :0,lylet:
0, etc.). El flujo uniforme se refiere a la condición
según la cual la profundidad, pendiente, velocidad y sección recta permanecen constantes en una longitud dada del canal (Ayl6L :0, 1VIAL: 0, etc.).
La línea de alturas totales es paralela a la superficie del líquido (línea de alturas piezométricas) y
V2 l2g por encima de ella. Esto no se cumple en el caso de flujo no uniforme y permánente.
se define para
FLUJO NO UNIFORME
El flujo no uniforme ocurre cuando la profundidad del líquido varía a lo largo de la longitud del
canal abierto, o sea, AyIAL I 0. El flujo no uniforme puede ser permanente o no permanente. También
puede clasificarse en tranquilo, rápido o crítico.
FLUJO LAMINAR
El flujo laminar en canales abiertos se dará para valores del número de Reynolds R, de 2000 o menores. El flujo puede ser laminar por encima de Ru : 10.000. Para el flujo en canales abiertos, Rr :4RVlv,
donde R es el radio hidráulico.
LA FORMULA DE CIIF'ZY
para
flujo
uniforme
V
donde
V:
R:
:
y permanent¿, desarrollada en el Problema 1, es
(t)
CtrES
velocidad media en m/seg, C : coeficiente,
radio hidráulico, S : pendiente de la superficie del agua o de la línea de energía o de la
solera del canal; estas líneas son paralelas para el flujo uniforme y permanente.
EL COEFICIENTE C puede
obtenerse aplicando cualquiera de las expresiones siguientes:
m
C: ./:i
\.1
at
/a
C:
(Véase Problema I )
(2)
(Kutter)
ll)
,
+
1+ n t)\
-\-JR
160
cAP.
161
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
1ol
C:l
87
C:
C
Pt¡a
| + mluF
:
-23,21g (1,81IRq +
;)
(Manning)*
(4)
(Bazin)
(5)
(Powell)
(6)
En las expresiones (3), (4)y (5),n y m son factores de rugosidad determinados experimentalmente
solo para el agua. Algunos valores se dan en la Tabla 9 del Apéndice. En general, se prefiere el empleo
de la fórmula de Manning. La fórmula de Powell se discutirá en los Problemas 9 y 10.
EL CAUDAL (Q) para flujo uniforme y permanente, aplicando la fórmula de Manning. es
Q
:
AV
:
(7)
t1!¡PzF 3'rz
Las condiciones ligadas al flujo uniforme y permanente se llaman normales. De ahí los términos
profundidad normal y pendiente normal.
LA PERDIDA DE CARGA
(/zr), expresada en términos de
hr: l#l'
z,
la fórmula de Manning, es
haciendo S
: hLlL
(8)
En el caso de flujo no uniforme pueden emplearse los valores medios de V y R con aceptable precisión. Para un canal largo se emplearán longitudés cortas en las que los cambios en profundidad sean de
la misma magnitud.
DISTRIBUCION VERTICAL DE LA VELOCIDAD
La distribución vertical de la velocidad en un canal abierto puede suponerse parabólica para flujo
laminar y logarítmica para flujo turbulento.
Para un iujo laminar uniforme en canales abiertos amplios de profundidad media y,,la distribución
de velocidad puede expresarse así
ruS
r r,
(e)
,
: ftur. - iy't
o
u:¡Al^-iY-l
La velocidad media Z. deducida de esta ecuación en el Problema 3,
t/ ssyt^ u
^
':3u
t/
t:
es
wSy'z^
(r0)
3u
Para un flujo turbulenlo uniforme en canales abiertos anchos la distribución de velocidad (desarrollada en el Problema 4) puede expresarse así
u
: 2,5r/tJpln(vlyi o
ü
:
(1r)
s,l|'/tolpleOlvo)
ENERGIA ESPECIFICA
La energía específica (E) se define como la energía por unidad de peso (m kg/kg) con relación
la solera del canal, o sea,
¿:
profundidad
+ altura de velocidad : y +
a
(r2A)
V2l2g
Una expresión más exacta del término de energía cinética seria aV2 f2g. Véase el Capítulo 6 para
la discusión del factor de corrección de la energía cinética a.
En función del caudal q por unidad de anchura ó del canal (o
E:y+Íl2g)(qly)'z o
*
q:
sea,
2glv'E
q
:
- v'l
Qlb),
(128)
En la literatura técnica en castellano se conserva n en unidades inglesas (ft1/6), por lo que la constante 1,486, que apala literatura técnica en inglés, se reduce a la unidad. N. del T.
rece en
162
FLUJO EN CANALES
ABIERTOS
[CAP.
10
Para un flujo uniforme, la energía específica permanece constante de una sección a otra. Para un
flujo no uniforme, la energía específica a lo largo del canal puede aumentar o disminuir.
PROFUNDIDAD CRITICA
La profundidad crítica (y,) para un caudal unidad constante q en un canal rectangular es aquella para la cual la energía específica es mínima. Como se demuestra en los Problemas 27 y 28,
?t"
: i/rln : !8" : V!/s
eg)
Esta expresión puede transformarse en
V" = \/ga"
o
V"/l/-gu"
= 1
para flujo
crítico
(1.4)
Por consiguiente, si el número de Froude No: V"lJCy,: 1, existe el flujo crítico. Si NF
hay flujo supercrítico (flujo rápido); y si N, < 1, el flujó es subcrítico (flujo tianquilo).
CAUDAL UNITARIO MAXIMO
El caudal unitario máximo (4^.*) en un canal rectangular, para una energía específica dada
como se demuestra en el Problema 28.
8.u*
:
\/nú :
/seE-f
A2
-E', es,
se ha desarrollado
ff#: ,
s:uo
1
es)
EN CANALES NO RECTANGULARES Y PARA UN FLUJO CRITICO. como
en el Problema 27,
Q2
>
(16)
donde á'es la anchura de la superficie de agua. La expresión (16)la podemos transformar, dividiendo
por Al , en la forma
Vi/t = A,/b'
o
V"
: IsAJU :
(17)
\FW.
donde el término A"fb' se denomina profundidad media y-.
FLUJO NO UNIFORME
Para estudiar el flujo no uniforme en canales abiertos, éstos suelen dividirse en longitudes Z lla-
madas tramos. Para calcular las curvas de perfil, la ecuación de energía (véase problema 39) conduce a
Ez-8, : Er-8"
Lenm : V?/zs+uz)-(v?/zg+ui:
s.-s
s.-s
s-s"
(r8)
donde So : la pendiente de la solera del canal y S: la pendiente de la línea de energía.
Para sucesivos tramos, donde los cambios en profundidad son aproximadamente los mismos, el
gradiente de energía S puede escribirse así
s = (4,t#1"
(1e)
Los perfiles superficiales para condiciones de flujo gradualmente variable en canales rectangulares anchos pueden analizarse empleando la expresión
dy
dL
S.-S
1t
- V,/ou)
(20)
El término dyldL representa la pendiente de la superficie del agua en relación con la solera del canal.
es positivo, la profundidad aumenta aguas abajo. Los Problemas44y 45 desarrollarán la ecuación y un sistema de clasificación de los perfiles superficiales.
Así, pues, si dyldL
cAP.
r63
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
101
LOS VERTEDEROS DE AFORO DE PARED GRUESA pueden emplearse para medir el caudal
en un canal.
El caudal unitario es q:,/EGn)',', donde E es la energía específica referida a la cresta del
vertedero o la altura de carga aguas arriba más la altura de velocidad de aproximación. Debido al rozamiento, el caudal real es del 90 al 92 I del valor dado por esta fórmula. La ecuación aproximada es
4:
í,67H3t2 (véase Problema 52).
RESALTO HIDRAULICO
El resalto hidráulico se produce cuando un flujo supercrítico cambia a flujo subcrítico. En tales
casos, la elevación de la superficie líquida aumenta súbitamente en la dirección del flujo. En el caso de
un flujo constante en un canal rectangular, como se ha deducido en el Problema 46,
# = a'a'(a+P)
(21)
Problemas resueltos
1.
Desarrollar la ecuación general (Chezy) para el flujo uniforme y permanente en un canal abierto.
F..o."
[.A.P.
-x+
Fig. 10.1
Solución:
En la Fig. 10-1, considérese el volumen de líquido,lBCD de sección recta constante Ay de longitud ¿. El
volumen puede considerarse en equilibrio puesto que el flujo es permanente (aceleración nula). Sumando las fuerzas que actúan en la dirección X,
fuerza sobre superficie AD
-
ftterza sobre superficie BC
4 Vl sen 0 -
fuerzas resistentes
wñ,A
-
wñA
+ wAL
sen 0
- r¿tL:
sen 0
0
0
donde to es la tensión cortante en la pared (lkglm') que actúa sobre una superficie de
de ancho, siendo p el perímetro mojado. Entonces,
wAL
:
(h")
: r"pL
y
to:
(wA sen 0)lp
:
wRS
Z m de longitud y p m
(A)
ya que R: Alp y sen 0 : tg 0: S para pequeños valores de 0.
En el Problema 5 del Capítulo 7 se ha visto que %: (wlg)f(V2/8). Luego
ruRS:
Para un
fltlo
lamínar,
/
(uldfT':8) o v: J$fnñ:
c/-ns
(B)
puede tomarse igual a 64/R". De donde
c
: J$st6qr-:
LrciJ-Rú
(c)
t64
2.
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
[cAP.
10
Demostrar que la distribución vertical de velocidad es parabólica en un canal abierto ancho para
un flujo laminar uniforme 1y, : profundidad media del canal).
Fig. r0-2
Solución:
Cuando la velocidad y la profundidad son pequeñas, reflejando un número de Reynolds < 2000, la viscosidad se convierte en el factor de flujo dominante. El flujo resultante es laminar. (Para canales abiertos, R, se define como 4RVlv.) Para el volumen libre representado en la figura por la sección rayada, aplicando X4 : 0,
obtenemos
Ft -Ft * w(y^ -y)dLdz
sen
d -r dLdz :0
Ft : Fz, se tiene
Puesto que
"
Para un flujo laminar,
r:
¡t duldy,." ;;";;::-
¿o = !1y^-u)sen ady
= Tro^-úda
Para pequeños valores del ángulo a, asociado a la pendiente de canales abiertos, sen o¿: tg a
(A)
:
pendien-
te S. Integrando (A), se obtiene
,=?l{or^-iu,\+c
:0, el valor de la constante
= 0 cuando !
presenta una parábola.
Como u
i.
¿Cuál es
C:
(B)
0. La ecuación (.8) es una ecuación cuadrática que re-
la velocidad media V en el Problema 2?
Solución:
(velocidadmedia)v
'
ldQ !udA --@s/ül@a^-$u'ld'udz
=9
A = ldA-idA
fdsdz=y^d.z
donde dz es una constante (dimensión perpendicular al plano del papel).
v = ffi
4.
f,"^
,rr^-
f,u,)du
=
ry
Para un flujo uniforme y permanente en canales abiertos anchos, establecer una ecuación teórica
que dé la velocidad media para superficies lisas.
Solución¿
Para flujo turbulento, en general, la tensión cortante
:
1
donde
/
es
:
t
puede expresarse de la forma
pt2lduldz)2
la longitud de mezcla y una función de z
(véase Capítulo 7).
cAP. lol
165
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
Fig.l0-3
Por otra parte, de la expresión (,4) del Problema I, ro : ruRS : whS, ya que el radio hidráulico R para canales anchos es igual a la profundidad.
En la capa límite, puesto que ,, es muy pequeño, z = h y Í
ro. Luego podemos igualar los valores de ro,
=
¡'|'z(du/dz)2
: uzS
o
Para integrar esta expresión se ensaya un valor de
,1,'
-;=
Setieneg:(h-z\
I
l: k(h
=
+tf-gzS/l2
-z)(zlh)It2. Entonces,
\/ñi, 1 \
-l
2
"1
rVsSl-j-f
L^ \l¿ - z)(z/h\, )
--;-l-l
k
,
\n- z/
dA =-clz;luego
gsh'
udur
v
= -i'Yla)
Y
du
y g¡n
/da\
l
= ----l
K \A
- /
,"lp - u:hS/p - gSh,
Como
du
Para
clr/dz
y=!t",r=0;luego
C
|
,du,
= EVr./e\;)
= (-r/k)t/,Jpl"a.
1u = |l/r"/elng -l C
y
1_
, =i
1/
r"/p ln (a/u"\
(A)
Nota; Al
despreciar la curva logarítmica a la izquierda de y., lo que introduce una aproximación, se consiguen resultados satisfactorios dentro de los limites de precisión esperados, ya que yo es muy pequeño. Véase Problema 5 para el valor de yo.
En esta expresión (A), k
0,40 y se llama constante de Von Karman. Puésto que el término u/r-Jp tienelas
=
dimensiones de m/seg, este término se denomina velocidad de corte y se designa por o*. Asi, pues,
De
e:
Ar,
: (h x t)v : ! u(dy x,,, j,;.'j",
v = !u\duxr)
(h 1) =
(B)
j,
"?ll;'.. ra verocidad media v.Así,
,,?r,(" (lny_ tnu.)cru
pues,
h J. '"'"
Aplicando la regla de L'Hópital, la velocidad media en el caso de superficies lisas donde existe una capa límite
puede evaluarse en
V
:2,5\Un h -ln y.
1l
(c)
En el Problema 5 se demostrará que y. es igual avfg*.Por consiguiente, las ecuaciones (B)V G) pueden es-
cribirse de la forma
u
:
2,5u¿,
ln
(D)
(9a*y¡v¡
V:2,5u*l1n h -ln(vl9u*)
-lf
(E\
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
166
[cAP. l0
Frecuentemente la velocidad media en un canal abierto se toma como la velocidad observada en un punto
situado a 0,6 de la profundidad (medida desde la superficie). Si aceptamos este valor de f, entonces podemos escribir la velocidad media, a partir de la ecuación (B) anterior, de la forma
V
Del Problema 5,
velocidad media es
y":
2,5u* tn (0,4h1y.)
ó/103. Entonces, para los canales anchos, puesto que el radio hidráulico
V
5.
:
:2,5u* ln
R:
h, la
(F)
41,2R16
Determinar el valor de yo en el problema anterior.
Solución:
Para superficies lisas, en una capa límite (laminar),
r":
.
o
p(duldy): vp(duldy)
hldy
: (tJp)lr:
ullv
(constante)
Designando por ó el espesor de la capa límite,
t
De datos experimentales, R¿*
o, = t 3,t,l au
!."
=
I:
: ll,6u* o
6 en la ecuación (B) del problema
u6
Combinando (C) con
(l),
1rO
ln óly.
:
u¿12,5u,,,
:
--
ó
6.
a2*6/v
= n¡-ur
(A)
:
ll,6vlu*
(B)
precedente,
2,5u*
ln
6ly.
RE*12,5
=
4,64,
ófyo:¿a'64:193 y
Entonces, de
=
11,6 (prácticamente constante). Entonces,
ul6lv
Haciendo
O
(c)
6:103_y.
(D)
y":
l!^'6' -= ^u
' !- 103u*
103 =
9u*
(B),
(E)
L
Por un canal rectangular ancho y liso (n : 0,009) circula agrra a 15' C con una profirndida#de 7,2 m
y con una pendiente de 0,0004. Comparar el valor de C obtenido por la fórmula de Manning con
el que da la aplicación de la expresión V : 2,5u.ln
41,2R16.
Solución:
(a) Aplicando la fórmula de Manning,
C
:
:
(l,0ln)Rt/6
(1,0/0,009)(l,2tt6)
:
114,5.
(b) Igualando la fórmula de Chezy para la velocidad media V con la expresión dada,
C: [nS
Sustituyendo
,* : .r{Sn
:2,51)*
7.
4l,2Rl6
del Problema 4, obtenemos
c :2,5!E ln
Para el agua a 15" C, v
ln
:1,132 x 10-6 y, tomando
6:
(A)
41.2R16
ll,6vlu* de
(,8) del Problema 5, hallamos
C:97,5.
(a) Por un canal rectangular ancho circula agua con una profundidad de 7,2 m y una pendiente
de 4 m sobre 10.000 m. Aplicando la fórmula teórica pará Ia velocidad del Problema 4, calcular
los valores de las velocidades teóricas a intervalos de profundidad de llI0 de ésta, suponiendo que
el canal es liso. (ó) Comparar la media de los valores de velocidad a0,2 y 0,8 con la velocidad a 0,6 de
profundidad. (c) Calcular la posición de la velocidad media por debajo de la superficie del agua.
Emplear como viscosidad cinemática el valor 1,40 x 10-6 m2/seg.
cAP.
101
167
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
Solución:
(a) Puesto que ,*:
'/-rJo:
V?Rs
u
:
:
J-ghS
v v":
ylyl": 2,5(2,3$\J-si3 ts 9u*v¡v
2,5u*, tn
: s.zs.,6str:¡o.ooo+r
:
A partir de (l)
0,3945
tfgu*'
x
19 4,41
x
rg
(A)
10s¡
obtenemos los siguientes valores de velocidad u:
Dist. hacia
abajo
(\)
f
0
t,20
529.200
10
1,08
30
0,96
0,84
476.280
423.360
40
0,'72
3r7.520
50
0,60
0,48
0,36
0.24
0,12
0,09
0,06
0,03
0,003
264.600
)n
60
'70
80
90
92,5
q5n
o?<
99.75
lg 44r.000y
441.000y
(m)
\
3',70.440
2l 1.680
158.760
105.840
52.920
39.690
1)76
2,261
s 6179
2,243
5,6266
5,5687
5,5018
5,4226
5 1?57
5,2007
5,0246
2,223
2,200
4 7)76
1,866
1,81ó
4,5987
4,4226
26.460
4,r2t6
11)lÁ
13.230
t -Jz-)
u(miseg)
z,rtJ
2,142
2,r04
) o54
I qRs
t,747
r,628
| )11
es V : +(2,223 + 1,985) : 2,104 mlseg.
no suele darse tal concordancia de valores.
Normalmente
profundidad
es
2,104.
El valor a 0,6 de
(b) La media de los valores a 0,2 y 0,8 de profundidad
8.
Suponiendo correcta la fórmula de Manning para el cálculo de C,
terio de <liso> en el Problema 6?
¿qué
valor de n satisfará el cri-
Solución:
Iguhando los valores de C, aplicando la expresión (A) del Problema 6, se tiene
Sustituyendo
g.
Rrro s,lsjg
, (.41,2R.
. -. r, (--lrñ-)
,4l,2RJgsR,
- -- r tg
¿ l: 5.75t1s tg
;:
valores y operando, n : 0,0106.
Aplicando la ecuación de Powell, ¿qué cantidad de líquido circulará en un canal rectangular liso
de 0,6 m de ancho con una pendiente de 0,10 si la profundidad es 0,3 m? (Emplear v :
0,000039 m2/seg).
Solución:
La ecuación (ó)
es
C
Para canales liSos, e/R es pequeño
y
: J3.20lg t1.811fi . ;,
puede despreciarse;
lue!
0,552lRulC
R"/C puede calcularse a partir de los datos conocidos mediante V : CInS:
Rr: 4RVlv : +ncfnslv
0,552t R El C : 4R3t 2 Srt2 lv : 0,5521 (4X0,15)3/2 (0,01 )1/2/0'000039 :
C
Entonces, C
:
23,2
lg
329
:
:23,20 lg
58,4 y
e: cA6s:
58,4(0,18)v6'Jf0,01)
:0,407
m3/seg
V)
329
168
10.
FLUJO EN CANALES
ABIERTOS
ICAP.
Determinar C mediante la fórmula de Powell para un canal rectangular de 0,6 m por 0,3 m si Z
1,65 m/seg, elR: 0,002 y v : 0,000039 m2/seg.
10
:
Solución:
:
Primero se calcula R¿
C
4RVlv
:
:
-23,2019
Por aproximaciones sucesivas encontramos que C
4(0,15X1,65)/0,000039
:
25.385. Luego
(l,att-g-^ + 0,002)
25.385
:
52 es satisfactorio.
Powell ha representado gráficos de C en función de Ru para varios valores de la rugosidad relativa e/R. Las
gráficas simplifican los cálculos. Por otra parte indican una estrecha analogía con la fórmula de Colebrook para
el flujo en tuberías.
11.
(a) Encontrar una correlación entre el factor de rugosidad/y el factor de rugosidad n. (b) ¿Cuál
la tensión tangencial media en los flancos y solera de un canal rectangular de 3,6 m de ancho
por I,2 m de profundidad y trazado con una pendiente de 1,60 m/1000 m?
es
Solución:
(a) Tomando la fórmula de Manning
c=rE Y/ =
(b\
Rt'u
n '
Rt'u
n{w '
1=
lT-
!f -
8gry'
Rrr¡
Del Problema
¡o
12.
como base de correlación,
: ruRS: ,t';#h""-)(pendiente) : roool--!f-112-rtffir :
t,r52
kslm2
¿Qué caudal puede alcanzarse en un canal revestido de cemento de 1,2 mde ancho trazado con una
pendiente de 4 m sobre 10.000 m, si el agua circula con 0,6 m de profundidad? Aplicar los coeficientes C de Kutter y de Manning.
Solución:
(a) Aplicando
el coeficiente C de
Kutter. De la Tabla 9, n
:
0,015. Radio hidráulico R
:
1,2(0,6)12,4: 0,30 m.
: 0,0004, R : 0,30 y r : 0,015, el valor de C -_ 54.
Q : AV : AC6s : 0,2 x 0,6X54)v6J0 x 0"0004 : 0,426 m3/seg
De la Tabla 10, para S
(ó) Aplicando
el coeficiente C de Manning,
:0,2 x 0,6)* (0,30)r/3(0,0004¡rrz e: AV: a!pr,rsr,z
tr
0.01 5
13.
0,430 m3/seg
En un laboratorio hidráulico se ha medido un caudal de 0,393 m3/seg en un canal rectangular de
1,2 m de ancllo y 0,6 m de profundidad. Si la pendiente del canal era-de 0,0004,
¿cuál es el factor
de rugosidad-para el revestimiento del canal?
Solución:
(a) Aplicando la fórmula de Kutter,
Q:0,3s3 : AC6S :
Interpolando en la Tabla 10. z
Q,2
:
x qqc@
y
c:
50
0.016.
(b) Aplicando la fórmula de Manning,
Rr,rgr,2 : í,2 x
e:0,393 : a7nn
o,o¡110,:¡,tr{0,0004¡rrr,
n:0,0164.
Emplear
n:0,016.
14.
para
¿Con qué pendiente se trazará una tubería de alcantarillado vitrificada de 60 cm de diámetro
pendiente
si
la
tubería
la
será
semillena?
que circulen 0,162 m3/seg cuando la tubería está
¿C:uál
9 da n :0,013.)
está completamente llena? (La Tabla
Solución:
Radio hidráulico R
(a) e :0,t62 :
(b) R: +d:
15.
:
1tl-s2t
áÍea
perímetro mojado
AlnRzttsttz
:
:
:'\u'j'",.'
i\na
+d
:0.15
yA
:
m.
)
LGn)(0,6)' x (1/0,013X0,15)2t351t2,
0,15 m, como antes,
f,n(0,6)2. Luego
$:
V6:
O,OZA+
O,OSZS
y
S
:
v
S
:
0'OO27g.
0,00070.
Por un canalfrapezoidal de 6 m de anchura de solera y pendientes de las paredes de 1 sobre 1 circula agua al,2m de profundidad con una pendiente de 0,0009.Para un valor den:0,025, ¿cuál
es el caudal?
Solución:
AreaA:6(1,2)+
2(+)(r,2)
fsq R :
:9&
^,
o : gln)AR2t3Stt2 :
16.
169
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
cAP. lol
8,64[6 + 2(r,2J-4]
:
(110,025)(8,64)(0,942t3(0,03)
0,e2 m.
:
9,8 m3/seg
Dos tuberías de hormigón (C : 55) deben transportar el flujo desde un canal abierto de sección
semicuadrada de 1,8 m de ancho y 0,9 m de profundidad (C : 66). La pendiente de ambas estructuras es de 0,0009. (a) Determinar el diámetro de las tuberías. (á) Haltar la profundidad de agua
en el canal rectangular, después de haberse estabilizado el flujo, si la pendiente cambia a 0,0016,
empleando C :66.
Solución:
Qcan^t
\a)
ACtrFS
t1,8
x
0,9X66)
+#
{o.oooe)
2,15
(b) Para una profundidad y, el
2,1s:
átea
:
A
:
Otub".iu"
:2ACIRS
: 2(lnd'ztt55l j
to,ooonl
: t,30dst2 y
d
l,8y y el radio hidráulico
,,rrr[-9r,r
* rr:
(1,8yX66)
^
:
0,814,
:
i.rt
1,225 m
Para el mismo caudal Q
l¡;'
y'
-0,2275v
:
0,2050
: 0'720 m, (0,373 -0,164) + 0'205 (disminuir y)'
v :0,717 m, (0,368 -0,163) :0'205 (satisfactorio)'
Por aproximaciones sucesivas: Para y
Para
Así, pues, la profundidad, con precisión del orden del milimetro, es 0'717 m'
revestimiento vitrificado ordinario se traza con una pendiente de 0.00020 y conduce 2.30 mr/seg
cuando la tubería está llena al 90 /". ¿Qué dimensión tendrá la
17. Una tubería de alcantarillado de
tubería
?
Solución:
De la Tabla 9.
Se calcula
r:
r
0.015.
el radio hidráulico R
-D- A
P
Angulo 0 :
t.. io)'
circulo
-
(véase
la Fig.
10-4).
(sector AOCE - triángulo AOCD)
arco ABC
arc cos (0,40dl0,50d)
:
arc cos 0,800, 0
:
36" 52'.
Fis.10-1
r70
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
[cAP.
10
Area del secfor AOCE: l2(36'52')1360"1ftnd,): 0,1612d2.
Longitud del arco ABC : nd -12(36"52')1360'f(nd) :2,498d.
Area del triángulo AOCD : 2(.i\(0,40d)(0,40d fg 36.52,):0,1200d2.
R
\a)
Empleando el coeficiente
Q
: cAtrFs,
c,
Para revisar
dst2
(b)
c
2,30
R
:
-(0,r6_r2d2 -0,r200d2)
2.498d
:oJ!!?d,, :0.2e8d
2,398d
de Kutter (para un primer cálculo se supone igual a 55),
:
55(0,7442dr¡rfo2xap,ooozo¡, dstz :.t,278, d:2,212
0,298
:7,278(55162):
x
:
2,212
6,456 o
m
y la Tabla l0 da c : 62. Recalculando,
tl:2,109 m (el C revisado es satisfactorio).
0,659 m
Empleando el coeficiente C de Manning (y datos anteriores),
Q
2,30
: | trPz't5rrz
n
:
--+)
U.UT
18.
_iitd2
e,7442d1e,2g8d)2t3e,oo02r¡tt2,
d't3
:7,347,
d
:2,112
m
Por un canal rectangular de 6 m de ancho, trazad,o con una pendiente de 0,00010, circula agua
a razón de 6,00 m3/seg. Determinar la profundidad del agua. Emplear z : 0,015.
Solución:
Aplicando la fórmula de Manning,
g : lapzrtgtrz,
n
6,00
6r=
: ^!- ft,vl
-''6- + 2y)2/3(0.0r).
0.015
r.5
: ,( 6! pt,
"6 + 2y'
Calculando por aproximaciones sucesivas, encontramos que el valor de -y:1,50 m satisface la ecuación. El
agua circulará a una profundidad de 1,50 m, llamada profundidad normal.
19.
¿Con qué anchura se construirá un canal rectangular para transportar 13,5 m3/seg de agua a una
profundidad de 1,8 m bajo una pendiente de 0,00040? Emplear n : 0,010.
Solución:
AplicandolafórmuladeManning,conA:1,8óyR:1,81(ú.+3,6),ycalculandoporaproximaciones
la anchura requerida á : 3,91 m.
sucesivas, hallamos
20.
Deducir, a partir de la ecuación de Manning, los factores de
blas 11 y 12 d,el Apéndice.
descar ga
Ky
K'
indicados en las Ta-
Solución:
Los factores de descarga aplicados a la fórmula de Manning pueden calcularse como sigue. El área de una
sección recta cualquiera puede expresarse de la forma A: FJ2, donde d es un factor adimensional e y2 es el
cuadrado de la profundidad. De manera análoga, el radio hidráulico R puede expresarse así R : Jqry. Entonces
la fórmula de Manning se transforma en
Q
lOn
: -(F,y2l(F2yPt3stt2
o
Análogamente, en función de la anchura b, A
-#
l-'-J '' -
: F.bt y R:
:
FrFits
:
(r)
K
F+b. Luego
On
tdtrSr¿:Ffát":K'
Las Tablas 11 y 12 dan los valores de Ky K'para canales trapezoidales. Los valores de
larse para cualquier forma de sección recta.
Q)
Ky
K'pueden calcu-
ABIERTOS
cAP.
101
21.
¿Cuálessonlosfactoresdedescarga Ky K' parauncanalrectangularde6mdeanchoy
profundidad? Comparar con los valores dados por las Tablas ll y 12.
FLUJO EN CANALES
Soh¡ción:
(:a) A
:
(b) A :
R:
La Tabla 11 indica que para ylb :
Fzb2, 7,2
La Tabla
22.
:
FJ2, 7,2 : FJl,2), Fz
5,0.
:
12 indica que para ylb :
: \(36), \ :
0,20. R
Fzy, 7,218,4
:
171
F2Í,2), Fz : 0,714. K
: Ff?t3 :
K: 4,00. (Comprobado.)
,218,4 : F46), F4 : 0,143. K' :
1,216
:0,20,
F+b,
7
1,216
:0,20, K' :0,0546.
FtF2t3
:
l,2mde
4,00.
0,0546.
(Comprobado.)
la Tabla
Resolver el Problema 18, empleando los factores de descarga de
12.
Sdución:
Del Problema 20. ecuación
(2),
Qn
Pí¡t':
rc"
ó(0.015)
:
:0'0757
G
K'
La Tabla 12 indica que para canales trapezoidales de taludes verticales, un K' de 0,0757 representa una relación profundidad-anchura {¿lb) entre 0,24 y 0,26. Interpolando, ylb : 0,250. Luego y : 0,250(ó) : 1,50 m,
al igual que se halló en el Problema 18.
23.
Resolver el Problema 19 empleando los factores de descarga de
la Tabla 11.
Solución:
Del Problema 20, ecuación
(1),
Qn x.
,,
pír.':
K
: l,4l
:
13,5(0.010)
(rs,rlüooo4p
t.4t
:K
corresponde exactamente a una relación ylb igual a 0,46. Luego b
calculó en el Problema
:
1,810,46
:
3,91, como se
19.
24. Un canal de sección recla lrapezoidal transporta 24,3 m3/seg. Si la pendiente S:
r:
0,000144,
y las pendientes de las paredes son de l vertical sobre 1,5
horizontal, determinar la profundidad normal de flujo ./w por la fórmula y usando las Tablas.
'
0,015, anchura de la base
b:6m
Solución:
(a) Por la fórmula,
24,3
Ensayando
!* :2,4:
: | (6yn + r,5y2*)rJU J $)2t3(0,000r44)Lt2
6 + 2yrJ3.25
0.015
39,4
t Á4.4
'i-:'
:'- "' + 8.641sl3
(6
+
o
4,8J3,25)2t3
30,4
I
31,2 (bastante ajustado).
La profundidad de flujo puede calcularse por aproximaciones sucesivas hasta la precisión que
qlue 2,4 m.
ra. La profundidad normal es ligeramente menor
(ó)
Cálculo previo para utilizar la Tabla 12 del Apéndice:
Qn :
t"¡Sa
211ooQ_ :0.256:
-
(6fÉ(o.ooo 144¡trz
K,
se quie-
172
FLUJO EN CANALES
ABIERTOS
[CAP.
IO
En la Tabla 12, para una pendiente de las paredes del canal de 1 vertical sobre 1,5 horizontal,
ylb :0,38, K'
Interpolando para K'
:
:
y
0,238
0,256, tenemos ylb
ylb
:
:
0,40,
K'
0,395. Entonces,
:
0,262
y, :
0,395(6)
-- 2,370 m.
25. Para un área de una sección recta dada determinar
las dimensiones óptimas de un canal trapezoidal.
Solución:
El examen de la ecuación de Chezy indica que para
un área de una sección recta y una pendiente dadas el
I
caudal a través de un canal con una rugosidad dada será
máximo cuando el radio hidráulico sea máximo. El radio
hidráulico será máximo cuando el perímetro mojado sea
mínimo. Refiriéndose a la Fig. 10-5,
: by + 2Éy)0t te 0l
b:Aly-yte9
o
p: b +2), sec 0 o p : Aly - y fg0 +2y
I
A
Derivando
p con respecto a y e igualando a
cero,
dpldy: -Aly' -:¿e+2sec 0:0
(Máximo)
R:
A:
p
Fig.10-5
sec 0
o
A:
(2sec
(2sec0-tg?)yt
(2 sec 0-tg|)ytly - y tg0 +2y
0- te|)yt
sec
0
_y
2
Notas'.
(1) Para todos los canales trapezcidales,
la sección hidráulica óptima
se obtiene
cuando R
: yl2.La
sec-
ción simétrica será un semihexágono.
(2) Parauncanal rectangular (cuando 0:0'), A:2y2 y también A:by, dandoy: bl2,ademásde
la condición R : yl2.Así, pues, la profundidad óptima es la mitad de la anchura con el radio hidráulico igual
a la mitad de la profundidad.
(3) El círculo tiene el menor perímetro para un área dada. Un canal abierto semicircular desaguará más
agua que cualquier otro de distinta forma (para la misma área, pendiente y factor n).
26.
(a) Determinar la sección óptima de un canal trapezoidal, n : 0,025, para transportar 12,6 m3/seg.
Para evitar la erosión, la velocidad máxima ha de ser 0,90 m/seg y las pendientes de las paredes
del canal trapezoidal son I vertical sobre 2 horizontaL (á) ¿Cuál deberá ser la pendiente S del ca-
nal? Referirse a la fieura del Problema 25.
Solución:
^ y A by+2(¡)\2y)
o
2 p b+2yJs
A : QIV : r2,6010,e0: by + 2y2
o
la)
b:2yuE - qy
b:(r4-2y2)ly
Igualando (l) V Q), obtenemos ! :2,38 m. Sustiruyendo en (2), b -- 1,2 m.
Para este canal trapezoidal, b : l,l2 m e y :2,38 m.
(b)
v
: (tln\R2t3su2,
0,90
:
(u0,025\Q,38¡2¡ztt5rtz, S
:
0,000405
(1)
(2)
cAp.
l0l
27,
Desarrollar la expresión para la profundidad crítica, energía específica crítica y velocidad crítica
(a) en canales rectangulares y (á) en cualquier canal.
FLUJO EN CANALES
ABTERTOS
173
'*"'";:"""/
E^¡"
€
E^¡^
Flujo subcrítico
T=
u.
Flujo supercrítico
1_
E
Q
0
.8 Constante
Constante
(b)
\d)
Fig. l0-6
Solución:
(o)
Canales rectangulares.
E = a +#
Por definición,
=, *+(T)'=,
+
(r)
fiQ)"
La profundidad crítica para un caudal dado Q ocurre cuando E es mínimo. Siguiendo el procedimiento
normal de cálculo,
q' =0,
-19=lf
dy dul",,-lfcl'l
Zsryt I
s!J"
Efiminando q enfre
: yV (ó :
v" =
S
E=
Cualquier canal.
Para un O constante,
dl
3-
= \/q'/g
(2)
y
a
(3)
= ta"
lll",
puesto que el área
se define como
v? _a"
2g2
(/t')
,*# = ,*h&)"
A
varia con la profundidad ¡,
dE _ t1 rfi(-1|'dr)
-dA\
,ra = 'Q't_2
El área
u"
unidad), la expresión (2) da
^."-Q'-a\V?
scg(b)
= gul,
(l) V Q),
E" - ¡'^+J4
'c ' 2su7
Puesto que q
q,
Q',dA
=
= .1-i'da
la anchura de la superficie de agua b'
x
o
dy. Sustituyendo en la ecuación
anterior, se obtiene
Q'b'" = I
sAi
o Q'=+
go
(r,
Esta ecuación debe satisfacerse para las condiciones críticas del flujo. El segundo miembro es una función de la profundidad ¡, y generalmente se precisa una solución por aproximaciones sucesivas para determinar el valor de y" para el que se satisface la ecuación (5).
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
174
Dividiendo
Qt po, Al, o en función
V'"/g = A"/b'
[cAP.
de la velocidad media, (5) puede escribirse de la forma
y" = yeA-M
o
Introduciendo la profundidad media y-, igual al área
puede escribirse de la forma
I
(6)
dividida por la dimensión á', la ecuación (5)
Q-AlsAlU=Atfsa,.
y" = yQl,JU = y/-sa,, o
Por otra parte,
La energÍa específica minima es, aplicando
E^i^
:
u"
10
(7)
Vllsy^:r
(8)
(8),
-l V\/Zs = y" * tu^
(e)
Para un canal rectangtlar A": b'y", y (ó) se reduce a la ecuación (4) anterior.
La Fig. 10-6 representa la ecuación (/) para Q constante y pal.a E constante. Cuando el flujo está próximo de ser crítico, la superficie se hace inestable produciendo olas. No es deseable diseñar canales con
pendientes próximas a la crítica.
28. Deducir la expresión que da el caudal máximo por unidad de anchura
para una energía específica E dada.
q en un canal rectangular
Solución:
Despejando
:
se tiene S: yJk@ - yft'. Derivando con respecto
4E. La ecuación (2) del Problema 27 se transforma ahora en
=
gyx
q enla ecuación (/) del Problema2T,
a 7 e igualando a cero, obtenemos y"
{f
., =
s(:}E ")s
q^^-
= t/ wl
Resumiendo, para canales rectangulares, las características de flujo crítico son:
^3(o) E^i^ = :ilq'/s
(ó) e,nax = t/gv\ = {gGE"f
(c)
a"
=
= Vi/g = W/s
sa. = N¡ = 1
'&8"
(d') V"/\/
(e) El flujo tranquilo o
(f)
29.
< I e yly" > l.
¡fF > 1 e yly" < l.
subcrítico se produce cuando No
El flujo rápido o supercrítico
se produce cuando
Un canal rectangular conduce 5,4 m3/seg. Hallar la profundidad qitica l, y Ia velocidad qifica V,
para (a) una anchura de 3,6 m y (á) una anchura de 2,7 m. (c) ¿Qué pendiente producirá la velocidad crítica en (a) si n : 0,020?
Solución:
(a) y,: lsrc : {oAFdm: 0,612 m. v": y6,: ,1's,t " o.otz:2.4s mlses.
(b\ y": lsri -- TtflNrp.8:0.742 m. v,:.,1e": $8 " ai4r:2.70 m,'ses.
|
,
1 3.6x0.611
:
(c) v": ll7zttgtrz,
2,45 :
0Á(l'-l-!1"¡zrtStrz, S 0,00683.
30.
Un canal trapezoidal cuyas paredes tienen una pendiente de2 horizontal sobre 1 vertical transporta un caudal de 16 m3/seg. Si la solera del canal tiene una anchura de 3,6 m, calcular (a) la profundidad crítica y (b\ la velocidad crítica.
cAP.
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
1ol
Solución:
(a) El Area A":3,6y, + 2(t" x 2y"):3,6y" * 2y!, y anchura de superficie b' :3,6 + 4y".
(16)' (3,6y, + 2y2,)3
La expresión (5) del Problema 2'7 da ;+ :
9.8 3.6 + 4y,
Resolviendo esta ecuación por aproximaciones sucesivas, -y.
(b) La velocidad crifica V" se determina
1,035 m'
mediante la ecuación (ó) del Problema 27.
| : /" :
Como comprobación, haciendo
:
1,035,
V": QlA, -- 16113,6(1,035) + 2(1,035)'?): 2,73 mlseg.
31. Un canal trapezoidal
tiene una solera de 6 m de anchura, la pendiente de las paredes es de 1 sobre 1 y el agua circula a una profundidad de 1,00 m. Para n : 0,015 y un caudal de 10 m3/seg,
calcular (a) la pendiente normal, (ó) la pendiente crítica y la profundidad crítica para 10 m3/seg
y
(c) la pendiente crítica a la profundidad normal de 1,00 m.
Solución:
e : Ar R2ttsuz,
(a)
I:1:
(b)
10
:
(6
o10
"
A 6y-ty'
+ rlf--]=X
"0,015 -1 - \'t'Sll',
6 + zlz
l
Igualando los términos de velocidad, operando
t;:
S,v
:
0,000626
p¡,
Ya
6+2y,
y simplificando, obtenemos,
[y.(ó + y"¡]3
3*h
:"u'"
que, resolviendo por aproximaciones sucesivas, da la profundidad crítica
/" :
0,634 m.
La pendiente crítica S" se calcula aplicando la ecuación de Manning:
r0:
[6(0,634)
+
(0,634),](
,]¡rffffi),,.s:t,,
.s.:0,002E
Si esta pendiente se mantiene uniforme, el flujo será crítico con una profundidad crítica de 0,634 m y con
lnQ:10m3/seg'
(c)
De (a), parayN:1,00m,
blema 27,
R:
v,:
U,793
Js.4la
my A:7,00m2. Porotraparte, aplicandolaecuación
:
+ 2(1)l:2,e28
(ó) delPro-
mlses
"6¡trpol116
Sustituyendo estos valores en la ecuación de Manning, tenemos
2,928
: (1/0,015)(0,793)'t'S:t', E :
0,00263
Esta pendiente producirá un flujo crítico uniforme en el canal trapezoidal a una profundidad de 1,00 m.
Se observará que en este caso el caudal será Q : AV -- 7,00(2,928) : 20,496 m3/seg.
canal rectangular de 9 m de ancho transporta 7,30 m3/seg con una profundidad de 0,90 m.
(a) ¿Cuál es la energía específica? (á) Determinar si el flujo es subcrítico o supercrítico.
32. Un
Solución:
v2
| o1 7.30
"1=^)2:0.941 m(kgm/m¡.
lal E:!+^
' 29:t +-ti)'z:0.90+_(^
2e A
19,6 9 x 0,90
(b) v": l/k: iQnQf try: 0,406 m.
El flujo es subcrítico porque la profundidad del flujo es superior a la profundidad crítica. (Véase Problema 28.)
r76
33.
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
[cAP.
10
Un canal trapezoidal tiene una anchura de solera de 6 m y las paredes una pendiente de 2horizontal sobre 1 vertical. Cuando la profundidad del agua es de 1,00 m, el caudal es de 10 m3/seg.
(c) ¿Cuál es la energía específica? (á) El flujo, ¿es subcrítico o supercrítico?
Solución:
(a)
bl
Area
A:
+
6(1,00)
: 8,00 m'z.
I oI 10
E: ') + _(i)r:1,00
+ _( ^)':1,08
2sA
19,ó8
2(j)(1,00X2,00)
r''2 rr
02
E - A: (10)2 (6y. 1 'r"
-. 9,8 6++y" '
g b'
Empleando
m
Resolviendo por aproximaciones sucesivas. /c
:
0.61 m.
La profundidad real supera a la profundidad critica, luego el flujo es subcrítico.
34. El
caudal que pasa
10,80 m3/seg cuando
a través de un canal rectangular (n :0,012) de 4,5 m de ancho es de
la pendiente
es
de 1 m sobre 100 m. Determinar si el flujo es subcrítico o
supercrítico.
Solución:
(1) Se examinan las condiciones críticas para
q^"*:
(2)
10,80f4,5
el
canal.
: ,Ey? e t,:
0,838 m
La pendiente óritica para la profundidad crítica anterior puede hallarse mediante la fórmula de ChezyManning
Q : A^,,R2t3Srt2
I 0. 8
0
:
(
4.
50
x
0. s
3
8
)
(
0
p
I
2-1
"
¡Í*1jqlr,o 38)
),
/. S.,,,
+:
.
0.
002 I 5
+
Puesto que la pendiente del canal supera a la crítica, el flujo es supercrítico.
35. Un canal rectangular
de 3 m de ancho transporta un caudal de 12 m3/seg. (a) Tabular (como para
preparar un diagrama) la energía específica en función de la profundidad de flujo para profundidades de 0,3 a 2,4 m. (á) Determinar la energía específica mínima. (c) ¿Qué tipo de flujo existe cuando la profundidad es 0,6 m y 2,4 m? (d) Para C -- 55, ¿qué pendientes son necesarias para man-
tener las profundidades de (c)?
Solución:
(a) De
E:r++:r.g#
Para
y:
:
:
:
:
:
:
obtenemos:
0,30
m,
0,60
0,90
1,20
1,50
1,80
2,r0
-- 2,40
(b) El valor mínimo
.E
:
:
:
:
:
:
:
:
de .E está situado entre 1,9ó
0,30
+ Í212'90f : 3.02 m kg/kg
zg
+ 1,36
+ 0,907
1,20 + 0,680
1,50 + 0,544
1,80 + 0,453
2,10 + 0,389
2,40 + 0,340
0,60
0,90
y
Aplicando la ecuación (2) del Problema 27,
1,880
:
:
:
1,96
1,807
1,880
:2,044
:
:
:
2,253
2,489
2,740 m kg/kg
m kgAg.
y,::/q1c: IIOPW:
1,178 m.
: E,: ]y,: +(1.178) : 1,767 m kg/kg.
Se observa que ¿' : 7,96 para.y : 0,60 m y 2,04 a 1,50 m de profundidad. La Figura (a) del ProbleEntonces, E-in
ma 27 indica este hecho, o sea, dos profundidades para una energía específica dada cuando el caudal Q
constante.
es
cAP.
101
(c)
FLUJO EN CANALES
117
Para 0,6 m de profundidad (por debajo de la prolundidad crítica) el flujo es supercrítico y para 2,4 m de
profundidad el flujo es subcrítico.
dI
Q: CAIRS
:1,814,2:0,429
m,
m2 y R
¡:0,6 m, A:1,8
Para y : 2,4 m, A : 7,2 m' y R :
Para
36.
ABIERTOS
:
7,217 ,8 : 0,923 m, 12 :
12
55{1.8)V't729S
y
S:0,0343.
55(7.2lJUn3S y S :
0,000995.
Una acequia rectangular (n : 0,012) se trazacon una pendiente de 0,0036 y transporta 16,0 m3/seg.
En condiciones críticas de flujo, ¿qué anchura deberá tener la acequia?
Solución:
Del Problema 28, Q^u*: .r,Gñ De ahí l6,0lb : JfÑ
Por aproximaciones sucesivas se comprueba el caudal calculado frente al caudal dado.
Tanteo
l.
b:2.5 m, y,: tttO.OZS)2 9.8: l.ól m.
Entonces, R : Alp: (2,5 x l,6l)15,72: 0,704 m
Haciendo
v
Tanteo
2.
Q
:
AV
:
12.5
'
l.Oll[o.irz(0.70412 3(0.0036)r 'z]
Puesto que el caudal debe aumentarse, hacemos b
:
:
15.9 m3 seg.
2,53 m.
y": tr4taolzszl1s,8: 1,60 m, R: (2,53 x 1,60)15,73:0,706
y Q: AV: (2.53 x l.ó0)[0.;12(0.706)2/r(0.0036)"2]: ló.0 m37seg.
Entonces.
m
Este resultado es probablemente de suficiente exactitud.
37.
Para una energía específica constante e igual a 1,98 m kg/kg, ¿qué caudal máximo deberá pasar
por un canal rectangular de 3,00 m de ancho?
Solución:
Profundidad critica y.
: ZE:3(1,98):
1,32
m.
(Véase ecuación
(/) del Problema
28.)
V": JEl,: Jr,8 " t,3r: 3,60 m/seg y
Q: AV: (3,00 x 1,32)(3,60) :14,2 m3 lseg.
Vefocidad critica
Caudaf máximo
Apficando q^ *:
Caudal máximo
\Eyl
[ecuación (ó) del Problema 28], obtenemos
Q: bq^*: 3.00.r63(lJ2P :
38. Por un canal rectangular
de 6 m de ancho,
14,2 m3 lseg.
n:0,025, circula aguaa 1,50 m de profundidad
A lo ancho del canal
con
un vertedero sin conuna pendiente de 14,7 m
:
la
solera del canal jusde
la
elevación
(m
Tomando
1,90).
0,735
m
de
altura
tracciones C, de
tamente aguas arriba del vertedero como 30,00, estimar (usando un tramo) la elevación de la superficie del agua en el punto A, 300 m aguas arriba del vertedero.
sobre 10.000 m.
se construye
Solución:
Se calcula la nueva elevación de la superficie del agua en -B en la Fig. 10-7 (la profundidad en el sentido
de la corriente disminuye). Se observa que el flujo es no uniforme puesto que las profundidades, velocidades y
áreas no son constantes desde el momento en que se instala el vertedero.
r78
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
[cAP.
10
Fis. 10-7
Q --
6 x 1,50)(1/0,025x9/9)'z/3(0,00147¡trz -
13,80 m3/seg
Para una profundidad supuesta de 1,80 m justo aguas arriba del vertedero.
Velocidad de aproximación V
La fórmula del vertedero
(¡1
+
:
QIA
da 13.80: t.90 x 6[(H *
0,0836)3t2
:
+
1,210
0,024
:
:
13,801(6
(14)'¡r,,
29
x
1,8)
:
1,28 m/seg
Luego
- tl'?8)'rr,rt.
29
1,234 y H : 1,066 m
Altura Z:0.735 m
Profundidad y
:
1,801
m
(hipótesis comprobada)
La nueva elevación en,4 debe estar comprendida entre 31,941 y 32,241. Ensayando una elevación de 32,10
(y comprobando en la ecuación de Bernoulli),
A:6(32,10-30,44):9,96 m2 y V:13,8019,96:1,39
: +(1,28 + 1,39) : 1,33 m/seg.
hidráulico medio R: +(10,80 + 9,96)ll+e,60 + 9,32)l: 110 m.
vn
l'33 x 0'025
'
(
:
Nueva área en
m/seg.
Velocidad media
Radio
Périlrda de carga h":
'
"'r: {:
,r,*rn
^utf
Aplicando ahora la ecuación de Bernoulli entre
32,10
que se reduce
+
:
0,292 m.
A y 8, tomando .B como referencia,
(r,39)212g:31,80 +
31,91
a
'2''
)'(300)
(r,28)212g
31,88 (aproximadamente)
La diferencia de 0,03 m está dentro del error del factor de rugosidad n. Por consiguiente, no se precisa ma-
yor aproximación. Se empleará, pues, la elevación de 32,10 m.
39. Desarrollar una fórmula que relacione la longitud, energía y
en el caso de problemas similares al precedente.
pendiente para flujo no uniforme
Solución:
Aplicando la ecuación de la energía entre las secciones I y 2 en la dirección del flujo, tomando como refela sección inferior a la solera del canal, obtenemos
rencia
energía en 1
(2,
- pérdida de carga : energía en 2
I y, + V?l2g) - ht: Q, * y, + V3l2g)
La pendiente de la línea de alturas totales S es hrlL; entonces, hL:-SL. La pendiente de la solera del ca(21 - z2)lL; luego zt - Zz: S"Z. Reagrupando y sustituyendo,
nal S" es
S"Z
+ (y' - y) +
(v?l2e
-
Vll2g):
SL
cAP.
t79
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
101
Esta expresión se resuelve generalmente para la longitud Z en estudios de canales abiertos. Así, pues,
L en m
=
- g"+vilzs) = E:s-s.!"
(a,+vilzg)
(A)
-s-s"
Los siguientes problemas ilustrarán la aplicación de la expresión ('4)'
40. Una acequia rectangular (n:0,013) tiene 1,80 m de ancho y transporta
1,78 m3/seg de agua.
En una cierta sección F la profundidad es de 0,96 m. Si la pendiente de la solera del canal es constante e igual a 0,000400, determinar la distancia que hay entre la sección F y la sección donde la
profundidad es 0,81 m. (Emplear un tramo.)
Solución:
Se supone que la sección cuya profundidad es 0,81
y 2 como es usual.
lr :
Az:
m
está aguas arriba de
F. Empleamos los subíndices I
m2, Vt: 1,78211,458: 1,221 mlseg, &: 1,45813,42 :0,426 m
1,80(0,96\: 1J28 m2, vz: 1,78211,728: 1,032 mlseg, R2: 1,72813,72:0,465 m
De ahí, V^.¿¡u: 1,126 mlseg Y R-"¿;o : 0,445 m. Entonces para flujo no uniforme,
1,80(0,81)
:
1,458
y,)
,_(vtrl2s+y)-(v?l2s+
s.-s
_
:
_556,5 m
El signo menos significa que la sección cuya profundidad es 0,81 m está aguas abajo de Fy no aguas arriba
como se ha supuesto.
Estos problemas ilustran cómo debe emplearse el método. Una mayor precisión se obtendría suponiendo
profundidades intermedias de 0,900 m y 0,855 m (o profundidades exactas por interpolación de valores), calculando valores de AZ y sumando éstos. De esta forma debe calcularse vÍa curt)a de perfil. La curva de perfil no
es una línea recta.
41.
Un canal rectangular de
12
m de ancho conduce 25 m3/seg de agua. La pendiente del canal es 0,00283.
En la sección 1 la profundidad es 1,35 m y en la sección 2,90m aguas abajo, la profundidad
1,50 m. ¿Cuál es el valor medio del factor de rugosidad n?
Solución:
De
ahí,
At :
Az:
12(1,50)
12(1,35)
V^.di.
:
L
y
n:0.0282.
:
:
18 m2,
16,20 m2,
1,465 mlseg
-Vtl2s
+ vr)
vz:25118:
1,39
m/seg, Rr:
18/15
:
es
1,20 m
V1:25116,20: 1,54 m/seg, Rr : 16,20114'70: l'10 m
:
Y
R-.¿¡o
-
v?l2s +
nV ^
q-(Rrrr)'
'R2t3'
1,15 m. Para flujo no uniforme,
v),
90
-
(0.0984
+ 1'500)- (0,1215 +
nxl-465^\z
o.orRl
-t '
1'3s0)
(l't5¡zrt '
42. Un canal
rectangular de 6 m de.ancho tiene una pendiente de 1 m por 1000 m. La profundidad
en la sección 1 es 2,550 m y en la sección 2, 600 m aguas abajo, la profundidad es 3,075 m. Si
n
:
0,01t, determinar el caudal probable en m3/seg.
Solución:
Empleando como referencia el plano del lecho de la corriente en la sección 2,
: yt + V?l2g * z, : 2,550 + V2rl2g + 0,600
: y2 + Vtl2g I z, : 3,075 + Vll2g + 0
La caida de la línea de alturas totales : energía en 1 - energía en 2. Puesto que el valor es desconocido,
energía en I
energía en 2
se supondrá un valor de la pendiente.
pendiente
pérdida de carga _(3,150 ,_
L
3,075)
+
(V?l2s
- V3l2g)
600
Se supone que ,S : 0,000144. Por otra parte son necesarios los valores de A^"or^
:
At:6(2,550)
15,300 m2, R1 : 15,300/11,10: 1,38 m
A2 - 6(3,075): 18,450 m2, Rz: 18,450112,15 : 1,52 m
De ahí, A^,di^: 16,8't.5 m2 y Rme¿¡o : 1,45 m.
y
R-e¿io
(1)
180
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
[cAP. l0
(1) Primera aproximación.
Q
:
A^(lln)R43Stt2
-
1ó,875(1/0,011)(1,45)2/3(0,000144)tt2
: n58
m3/seg
En la ecuación (1) anterior se comprueba el valor de la pendiente S:
h:
vz:
5:
23,58115,30
QJIO
El gradiente de la línea de altura total
-
:
:
1,54,
V'z1l2g
r,28, Vll2g
3'o7s) + 0'038
:
23,581t8,4s
600
es de 0,113
:
:
0,121
0,083
0.000188
m en 600 m, superior al valor
supuesto.
(2) Segunda aproximación.
Haciendo
S:
Comprobando
0.000210. O
,
:
23.58(.Jq!ffi#)1/2
Vt :28,50/15,30
V2
:
28,50118,45
(3.150
,_
:
:
,,rU
-4., ,
28.50 m3/seg.
V?l2S
1,54 mlseg, v3l2s
3.075)
600
:
+ 0,055 :
:0,177
:
m
0,122 m
0,000217
Esta pendiente comprueba (razonablemente) la hipótesis hecha. Por consiguiente, Q aproximado
:
28,50
m3/seg.
alimenta un canal rectangular de 4,50 m de ancho y n : 0,015. A la entrada, la profundidad de agua en el depósito es de 1,87 m por encima de la solera del canal. (Véase la Fig. 10-8.)
El canal tiene 240 m de longitud y un desnivel de 0,216 m en esa longitud. La profundidad detrás
de un vertedero situado en el extremo de descarga del canal es de 1,24 m. Determinar, empleando
un solo tramo, la capacidad del canal suponiendo que la pérdida a la entrada es 0,25V112g.
43, Un depósito
So
N-
= 0'00090
Zaom
Fig. l0-E
Solución:
A y 1, tomando como referencia 1, tenemos
(0 + despr. + 1,87) - 0,25vll2g: (0 + V?l2s + y)
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre
(1)
L = (v3/2s+ñ-(vi/2s+al
, nV^ \z
y
r.-\
^a
E'#
Estas ecuaciones se resuelven por aproximaciones sucesivas hasta que
Haciendolr:1,50 m, de (1) se tiene V?l2S:
ltVt :
1,50(2,41): 3,61 m3/seE, Vz :
3,6111,24
@)
/-
Z
se aproxime
(1,87
1,50)11,25:0,296m,
m3lseg.
:2,91
-
o iguale a
Vt:2,41
240 m.
mlsegy
q:
CAP.
10]
ABIERTOS
FLUJO EN CANALES
y
Rmedio
:
á(R,
Vm"diu: +Q,41 + 2,91) : 2,66 mlseg
+l(4,5 x 1,50)17,5 + (4,5 x 1,24)16,981: 0,85 m
+ Rr):
Sustituyendo en la ecuación (2) anterior, hallamos
Se aumenta el
18I
L : ll3
m.
valor de y, a 1,60 m y se repiten los cálculos. Los resultados en forma tabulada son:
R-
L
1,60 2,06 3,30 2,66 2,36 0,867 345 m
1,57 2,17 3,40 2,75 2,46 0,862 246 m
lr
Vr
Qt V2 V^
Notas
se disminuye yt
resultado satisfactorio
: 3,40 x 4,5 : 15.30 m3/seg.
Si se requiriese mayor precisión, se comienza por el extremo inferior y, para un caudal por unidad de ancbl¡a q: 3,40 m3/seg, se halla la longitud del tramo en el punto en que la profundidad sea aproximadamente
w l0\ mayor que 1,24, o sea, aproximadamente 1,36 m, luego a una profundidad de 1,48 m, y así sucesivamente. Si la suma de las longitudes excede de 240 m, se disminuye el valor de yr, obteniendo un valor maLa capacidad del canal
yor de
4.
q.
Deducir la expresión que da la pendiente de la superficie de un líquido en canales rectangulares
anchos para flujo gradualmente no uniforme.
Solución:
La energía total por kilogramo de fluido con respecto a un plano arbitrario de referencia
es
H_AtV,/2gIz
donde el factor de corrección de la energía cinética d se toma como la unidad. Derivando esta expresión con respecto a I, distancia a lo largo del canal, se tiene
d.H
,tL
da _
dz
-r d(V'z/2g)
dL
,tL -r dL
ra\
\'^/
Para canales rectangulares (o para canales anchos de profundidad media y^), Vt
dtq'l2ga')
,tL
Sustituyendo en (A), haciendo
dHldL: -S
2q'
rja ¡ =
-_ Zst/\ail
:
(:qly)2 y
_V' r4L¡
w\afl
(pendiente de la linea de alturas totales), y
diente de la solera del canal). obtenemos
r = ,tL - ñl¿) - s"
(pen-
¡-Trsil = 1-N;
ii
"
dzldL: -S"
\b)
El término dyldL representa la pendiente de la superficie del agua respecto a la solera del canal. Cuando el canal se inclina hacia abajo en la dirección del flujo, S. es positivo. Análogamente, S es positivo (siempre). Para
flujo uniforme S : S" y dyldL : 0.
Otra forma de la ecuación (B) puede obtenerse como
Q
se
indica a continuación. La fórmula de Manning
: \ln)ARzttsttz
Resolviendo,esta ecuación para la pendiente de la linea de alturas totales, haciendo
para canales rectangulares anchos, se obtiene
dH
,lLr-
es
o _
s:
Qlb, A
:
by y
R:
y
n'(q2b'/b'g')
Análogamente, la pendiente de la solera del canal, en función de la profundidad normal y,t y del coeficiente nn,
puede escribirse de la forma
dz
,lL
o _
J"
=
n\(qrbr/b"aí)
yfr',
Entonces la ecuación (-B) se transforma en
'!
-n2(q2b"/b'!'2\
v¿t3
¡Lt r'*(q'b"/b'U'*)
= tL-v'/gY\;L -- t--4;-
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
t82
Pero V2
:
q2ly2, n
=
nN
y
q2l7
: yl.
y'ó"
dy
dL
:
q
:
10
Entonces,
--n'q'
Haciendo Qlb
[cAP.
: dy,, dLtt
1, r, ntq'
Y;/Y-' - ylot3
(nq)2ftly7ort
yrllln)ytltS;1r'z] o (nq)'
|:
(c)
- lly'ot'l
(D)
@"ly\'
-vrlo/tS.,
#: ".[
la ecuación (D)
]
se conüerte en
(E\
Hay condiciones límites para los perfiles superficiales. Por ejemplo, cuando y se aproxima a y", el denominador de (.8) tiende hacia cero. Por consiguiente, dyldL se hace infinito y las curvas cortan perpendicular-
mente a la línea de profundidad crítica. De ahí que los perfiles de superficie en las proximidades de y : yc sean
solo aproximados.
Análogamente, cuando y se aproxima a y*, el numerador tiende a cero. Por tanto, las curvas tienden asin-
tóticamente a la profundidad normal.
Finalmente, cuando y tiende a cero, el perfil de superficie se aproxima a la solera del canal perpendicularmente, lo que es imposible bajo la condición referente al flujo gradualmente no uniforme.
45.
Resumir el sistema de clasificación de perfiles superficiales para flujo gradualmente no uniforme
en canales anchos.
Solución:
Existe un cierto número de diferentes condiciones en un canal que dan origen a unos doce tipos distintos
de flujo no uniforme. En la expiesión (E) del Problema 44, para valores positivos de dyldL, la profundidad y
aumenta aguas abajo a lo largo del canal, y para valores negativos de dyldL la profundidad y disminuirá aguas
abajo a lo largo del canal.
En la tabla que sigue se presenta un resumen de los doce tipos diferentes de flujo no uniforme. Algunos de
y el lector puede analizar los tipos restantes de flujo de manera similar.
ellos se examinarán aquí
La clasificación (suave)) resulta de la pendiente del canal S", siendo tal que la profundidad normal ln ) 1".
Si la profundidad y es mayor que lN e J",la curva se llama <tipo 1>; si la profundidad y está comprendida entre
lx e 1", típo 2; y si la profundidad J, es menor gue -hv e ¿, tipo 3.
Se observará que, para las curvas del tipo 1, puesto que la velocidad es decreciente debido al aumento de
la profundidad, la superficie del agua debe aproximarse a una asíntota horizontal (véase Mr, C, y Sr).Análogamente, las curvas que se acercan a la línea de profundidad normal lo hacen también asintóticamente. Como
se ha dicho anteriormente, las curvas que se aproximan a la línea de profundidad crítica cortan a ésta perpen-
dicularmente, puesto que el denominador de la expresión (E) del Problema 44 se hace cero en tales casos. Sin embargo, las curvas para pendientes críticas son una excepción a las afirmaciones anteriores ya que es imposible
tener una superficie de agua al mismo tiempo tangente y perpendicular ala línea de profundidad crítica.
En cada perfil de la siguiente tabla la escala vertical está muy ampliada respecto a la escala horizontal. Como
se indica en los problemas numéricos para las curvas M1, tales perfiles pueden tener cientos de metros de extensión.
La tabla siguiente da las relaciones entre pendientes y profundidades, el signo de dyldL, el tipo de perfil,
el símbolo del perfil, el tipo de flujo, y un esquema representando la forma del perfil. Los valores de y dentro
de cada perfil pueden observarse que son mayores o menores gue -7r yfo y, examinando cada esquema.
183
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
cAP. lol
Pendiente
del canal
Relaciones de
profundidad
ylyNly"
Suave
0<s<s"
e)
Prof. en el sent
de la corriente
Simbolo
Tipo de flujo
+
Aumenta
Mt
Subcrítico
Disminuye
Mz
Subcrítico
Aumenta
Ms
Supercrítico
Disminuye
Hz
Subcrítico
+
Aumenta
Hs
Supercrítico
+
Aumenta
Ct
Subcrítico
Constante
Cz
Uniforme,
crítico
+
Aumenta
Cs
Supercrítico
+
Aumenta
Sr
Subcrítico
Disminuye
S,
Supercrítico
Aumentar
Sa
Supercrítico
Disminuye
Az
Subcrítico
Aumenta'
As
Supercrítico
UNIU)U"
+
UulU")U
a>a"
Forma del perfil
Horizontal
s:0
:
ó
./¡v
a">
lt /
Crítica
S,v
:
S"
a
Ac -
AN
U"=A=Ux
f¡t:Ic
!c,= lN )
E)y")yN
Pronunciada
s>s">o
Y
y")ylyN
A")Yx)Y
+
a>a"
Adversa
s<0
fx:@
a">
a
-f
L
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
184
6.
[cAP. l0
Desarrollar para un canal rectangular una expresión que dé la relación entre las profundidades
y después de un resalto hidráulico. (Véase la Figura 10-9.)
antes
Solución:
Para el volumen libre conrprendido entre las secciones
y un caudal por unidad de anchura q,
P, : wñA : u|2y)yt : i*yi
I
y 2, considerando una anchura de canal unidad
y análogamente pr: t
yZ
Aplicando el principio de la cantidad de movimrento,
LP*dt: A cantidad
i*03
de
movimiento:{Or,l
- yldt :Y! v,
- n,t
Fig. l0-9
Puesto que
Vzlz.: VJt Y Vt -- qlyr la
ecuación anterior se convierte en
q'ls:iytyz(ytryz)
v?:4v'v'0'+vt)
Comoq2fg:yt,
(1)
(2)
La longitud del resalto se establece de manera que varíe entre 4,3y, y 5,2y2.
Para la relación entre Lfy, y el número de Froude VrlJcyr, véase página 73 de Engineering Hydraulics,
Hunter Rouse, John Wiley & Sons, 1950.
El resalto hidráulico es un disipador de energía. En el diseño de cuencos protectores de resalto hidráulico
es importante conocer la longitud del resalto y la profundidad yr. Una buena disipación de energía se tiene cuan-
do VllgY': 20 a
80.
47. Un canal rectangular
de 6 m de ancho transporta 11 m3/seg de agua y descarga en una solera protectora de 6 m de ancho, de pendiente nula, a una velocidad media de 6 m/seg. ¿Cuál es la altura
del resalto hidráulico? ¿Qué energía se absorbe (pérdida) en el resalto?
Solución:
(a) Vt:6mlseg, q:lU6:1,833 m3/seg/m de anchura, e y:qlVr:0,306 m. Entonces,
q2ls : iyryz\t * y),
(r,$r'z19,8 : l(0,306)y.r(0,306 + y),
2,245 :0,306y2 + y2
de donde lz : - 1,659 m, + 1,353 m. Siendo extraña la ra:¿ negatla, lz : 1,353 m y la altura del resalto
- 0,306) : 1,047 m.
Se observa que y" : :re,$3Fñ o tlrtz|,
hidráulico es (1,353
+ yzl :0,70
m.
Por consiguiente, el flujo a 0,306 m de profundidad es supercrítico y a 1,353 m, subcrítico.
CAP.
(b)
185
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
l0l
Er:
Antes del resalto,
V2rl2g
* yt:
6)2129
+
0,306
:
2,143
m kglkg.
r yz: [11/(6 x 1,353)]2129 + 1,353 -- 1,47 m kg/kg.
de energía por segundo : wQH: 1000(11X2,143 - 1,447):7656 m kg/seg.
Después del resalto,
Pérdida
Et:
Vll2g
48. Un canal
rectangular de 4,80 m de ancho transporta un caudal de 5,20 m3/seg. La profundidad
aguas abajo del resalto hidráulico es 1,26 m. (¿) ¿Cuál es la profundidad aguas arriba? (ó) ¿Cuál
es la pérdida de carga?
Solución:
(a)
(b)
49.
qtls
:
tvtvr(vt
*
(5,2014,8q2p,8:0,63y{yt +
vz\,
1,26),
.yr
:
0,135 m
: 4,80(0,135) : 9,64 -2, Vt: 5,2010,648 : 8'025 m/seg
4,80(1,26) : 6,048 m2, vz: 5,2016,048 : 0,860 m/seg
Et : V?lzs * rt : $,025)2129 + 0,135 : 3,42r m ks/kc
E2 : V22l2s * lz = Q,860)212g + t,26 : 1,298 m kgkg
Pérdida de energía : 3,421 - 1,298 : 2,123 m kg7&g o m.
,4r
Az:
Después de pasar por el aliviadero de una presa, 243 mtlsegpasan a través de un cuenco de hormigón (n 0,013) plano. La velocidad del agua en la base del aliviadero es de 12,60 mlseg y la
anchura del cuenco es 54 m. Estas condiciones producirán un resalto hidráulico, siendo 3,00 m
la profundidad en el canal situado después del cuenco. A fin de que el resalto esté dentro del cuenco, (a) ¿con qué longitud deberá construirse el cuenco? (á) ¿Cuánta energía se pierde desde el pie
del aliviadero hasta la sección de aguas abajo del resalto?
:
Fis. r0-r0
Solución:
(a)
Según la Fig. 10-10, primero se calcula la profundidad y2 en el extremo aguas arriba del resalto.
q'ls
:
tryzy{yz-r
y),
rt :
Por otra parte,
(24315q2p,8: l!)yrry, +
QlVt
:
Q43ls4)112,6
:
3),
rz:0,405
m
0,357 m
Ahora se calcula la longitud Lo" del flujo retardado
Vt:
12,60
Vz: elyz:
mlseg,
VTlZe
Rl : (54 x 0,357)154,714 :0,352 m
m/seg, V?l2s:6,30 m, R2: é4 x 0,405)154,81: 0,399 m
:8,10 m,
4,5010,405: 11,11
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
186
[cAP.
10
De ahí, Vm.di": 11,855 m/seg, R-c¿io : 0,376 m, y
f_
LAB
_
(vílzs + yr)
-
(Vll2g +
La longitud del resalto
conservativo de 5,0y3,
I¡
entre
Por consiguiente, longitud to¡al
f).
+
(6,30
0,405)
By C está comprendida
:
Zn
(b)
y)
,S.-s
5'0
ABC:
x
3,0
20,0
:
*
-
(8,10
eítre
+
0,357)
4,3hy
:
20,0 m
5,2y2 m. Suponiendo el valor
15,0 m
15,0
:
35,0
m
(aproximadamente).
Energía en A: yt + V?l2s : 0,357 + 8,100 :8,457 m kglkg.
Energía en C : h + V3l2g : 3,000 + (1,5)2129 : 3,115 m kg/kg.
Pérdida total de energia : wQH: 1000(243X5,342):1,40 x 106 m kglkC.
Con el fin de que el resalto hidráulico situado después de un aliviadero no se desplace aguas abajo,
establecer la relación entre las variables indicadas en la Fig. 10-11. (El profesor E. A. Elevatorski
sugiere el empleo de parámetros adimensionales, como se hace a continuación. Véase <Civil Engineering)), agosto de 1958.)
Fig.
l0-ll
Solrrción:
..
I-a ecuación de energía se aplica entre una sección aguas arriba de la presa donde l¡ puede medirse y la sec-
ción 1, despreciando la altura de velocidad de aproximación, o
(h
+ d)* 0 *
despr.
-
o vt = t/zg(h+-g(h+d.).
Como q : ltVt (m3/seg/m de ancho), o, =
#, = ftr^*
ll29 (d/h
Del Problema 46, la relación del resalto hidráulico
Despejando,
Dividiendo
qVt ¡Uz-
i\=;¡
A\
sz2
for
:
pérdidas (despreciadas)
oar-Q
--r- _=
f,'A?
sea,
*
0
+0+
V?l2g
U,
l)'tc h't"
(A)
es
o
-y, + 1/y'r+
sa;*
sataz
=
2qv'
SqVJo
7, se tiene una expresión adimensional
Az
Ar
= -¡ = gt/-+aqv,tulo = +jF + aq,/sai - tl
(B)
cAP. l0l
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
Puesto que yz
:
@
-
D), yrly,
:
(d
-
-
D\t/2s (d/h + 1¡'r'
(-B)
junto con el valor de
y,
de (A)
= +lt/-+aqtwi-t)
+
2(d
D)yt se sustituye en
187
¡'r'
get
I
r |
\iYq9
r r
'zt(g3,')(d/h
r l¡t'z ¡etz
La ecuación se pone en forma adimensional multiplicando el primer miembro por hlh, dividiendo ambos
miembros po.
f
y
agrupando térmrnos:
tY#x!?1(**\'^ + 0,353 =
Los términos adimensionales en (C) pueden escribirse
(c)
así:
-
-"t =h"'"g'''
q '
-:2
n
d
= n'
Entonces la ecuación (C) se convierte en
¡,(r"- r,)(r"*
1)1/'
+
0,353
= G + Z,g2V, kJ IY
(D)
El profesor Elevatorski ha preparado una gráfica de la ecuación (D) que permite deducir una fácil solución. Para valores calculados de z, y n2,la gráfica da el valor de n3. (Véase <Civil Engineering>, agosto de 1958).
El profesor Elevatorski, al comentar Ia omisión de la pérdida de energía sobre la cara del aliviadero, dice
que <al despreciar la pérdida debida a la fricción se producirá un ligero exceso del nivel de agua en el cuenco
protector. Un resalto ligeramente inundado es mejor disipador de energía comparado con otro diseñado para
la profundidad yr>.
51.
Determinar la elevación del cuenco de un aliüadero si
la cresta del aliviadero tiene una elevación de 60 m.
q:
5 m3 lseglm,
h:
3 tn,
D:21
m,y
Solución:
Empleando las relaciones adimensionales deducidas en el problema precedente,
nL: gtt2h3t2lq:3,8G3t2)15:3,253, nz.: Dlh:2113:7,00, 4 -- dlh:
dl3
La ecuación lD) del Problema 50 puede escribirse entonces de la forma
3,253(dl3
-
7,000)(dl3
+
Dv2
+
0,353
:,@r¡n
Resolviendo por aproximaciones sucesivas para n3 : dl3, hallamos n3 : 77,4, o d: 25,8 m. La elevación del
cuenco del aliüadero es (60 - 25,8) : 34,2 m por encima del plano de referencia.
52.
Establecer la ecuación que da el caudal a través
de un vertedero de pared gruesa suponiendo que
no existen pérdidas de carga.
Solución:
En la sección donde se produce el flujo crítico, q:
V"y". Pero
V?ls 4E,, y V": GGL). por consiguiente, el valor teórico del caudal q es
y":
:
q: JieD x !E":
r,7oE3t2
Sin embargo, el valor de E" es difícil de medir con
precisión porque la profundidad crítica es dificil de 1ocalizar. La ecuación práctica es
Q:CH3t2=1,67H3t2
El vertedero se calibrará en el lugar de utilización
para obtener resultados precisos.
Fis. r0-r2
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
188
53.
[cAP.
10
Desarrollar una expresión para un caudalímetro crítico e ilustrar el uso de la fórmula.
vi
2s
-L ..-
de al.uras
-{3"
-:'-o':^'
ro
--...-
I
Fig. l0-r3
Solución:
Un método excelente para medir el caudal en canales abiertos es por medio de un estrechamiento. La medida de la profundidad crítica no es necesaria. La profundidad 7t se mide a una distancia corta aguas arriba del
estrechamiento. La solera construida tendrá aproximadamente 3y. de largo y una altura igual a la de velocidad
crítica.
Para un canal rectangular de anchura constante, la ecuación de Bernoulli se aplica entre las secciones I y 2,
en donde la pérdida de carga en flujo acelerado se toma como un décimo de la diferencia de alturas de velocidad, es decir,
.vi
a' + u
I,vZ v1,= (a'+
, .vz z)
- ld6-r;)
*+
en donde se desprecia la ligera pendiente en el lecho del canal entre
agrupando términos, obtenemos
(rt
o
Como 4
+ r,r\Vll2d : lz + 1,04 + +G^B")l
z + r,l\Vll2g) : 1,033E, : l,83elq1s)
O)t
-
q : 1,620t
q : 1,62(yt
: Vtly
I y 2. Admitiendo que E" : /" + Vll2g y
- z + r,r0Vll2g)3/2
- z + 0,0561q'ly?)'t'
(A)
(B)
Para ilustrar la aplicación de la expresión (8), consideremos un canal rectangular de 3 m de ancho con un
medidor de profundidad crítica que tiene como dimensión z : 0,330 m. Si la profundidad medida 7, es 0,726 m,
¿cuál es el caudal Q?
En una primera aproximación se desprecia el último término de (.8). Entonces,
q
:
1,62(0,726
-
0,330)3t2
:
0,404 m3/seg/m de ancho
Ahora, aplicando por completo la ecuación (,8), por aproximaciones sucesivas hallamos a
siguiente,
Q
: qQ): 0,435(3) :
1,305 m3/seg
:
0,435. Por con-
cAP.
189
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
101
Problemas propuestos
g.
Designando por y,, la profundidad en la figura del Problema 1, deducir una expresión para el flujo laminar a lo
largo-delrnu ptuáptuttu de anchura infinita, considerando el volumen libre en el Problema 1 con anchura unidad'
So/. Yk : lvVlsS
55. El factor de fricción de Darcy f se asocia generalmente a tuberías. Sin embargo, para el problema precedente,
evaluar el factor de Darcy / empleando la solución dada para dicho problema. Sol. 96lRr
56. Demostrar que la velocidad media I/ puede expresarse de la forma 0,32u*R[l6fn.
57. Demostrar que los factores n de Manning y / de Darcy se relacionan entre sí por la expresi ón n : 0,113¡rtz ¡¿ta .
58.
59.
Calcular la velocidad media en el canal rectangular del Problema 7 sumando el área bajo la curva profundidadSol. 2,087 mlseg
velocidad.
qué
pendiente
se trazaria el canal representado en la Fig. 10-14 para transportar 14,80 m3/seg? (C : 55.)
¿Con
Sol.
0,00407
a-2,4
-f
T_
1,2 m
l_
3,0 m
_t
Fig.10-15
Fig.10-14
ó0.
61.
El canal representado en la Fig. 10-15 se tfaza con una pendiente de 0,00016. Cuando llega a un desnivel' el flujo
1000 m.
se transporta mediante dos tuberías de hormigón (n : 0,012) trazadas con una pendiente de2,5 m sobre
m
l'245
Sol.
tuberías?
las
tener
deberán
dimensión
¿Qué
Por un canal semicuadrado circula un caudal de 2,20 m3/seg. El canal tiene 1200 m de largo y un desnivel de
0,6 m en esa longitud. Aplicando la fórmula de Manning y n :0,012, determinar las dimensiones.
Sol.
62.
63.
1,952
m x 0,976 m
Circula agua a una profundidad de 1,90 m en un caaal rectangular de 2,45 m de ancho. La velocidad media
Sol. 0'000149
de 0,58 m/seg. ¿Con qué pendiente probable estará ttazado el canal si C: 55?
I
m3/seg? Sol. 0,00067
te de los lados de
g.
ó5.
:
0,030) es de sección trapezoidal con una anchura de solera de 6 m y una pendiensobre 1. La velocidad media permitida es de 0,75 m/seg. ¿Qué pendiente del canal producirá
Un canal labrado en roca (n
5,40
es
de diámetro, estando la
¿Cuál es el caudal de agua en una tubería de alcantarillado vitrificado nueva de 60 cm
m3/seg
iubería semillena y teniendo una pendiente de 0,0025? Sol. 0,153
Un canal (n : 0,017) tiene una pendiente de 0,00040 y una longitud de 3000 m. Suponiendo que el radio hidráulico es 1,44 m, ¿qué corrección debe realizarse en la pendiente para producir el mismo caudal si el factor de ruSo/. Nueva S : 0,000554
gosidad cambia a 0,0207
:
0,013), trazada con una
6.
90' (n
¿Qué profundidad tendrá el flujo de agua en una acequia en V con ángulo de
pendiente de 0,00040 si transporta 2,43 m3lseg? Sol. 1,54 m
67.
Para construir una acequia de sección triangular se emplea madera aserrada. ¿Cuál deberá ser el ángulo en el
Sol. 90'
vértice para poder transportar el máximo caudal con una pendiente dada?
68.
Poruncanalrectangularde6mdeancho,n:0,013yS:0,0144,circulaaguaconunaprofundidadde0'9m.
69.
Una acequia desagua 1,20 m3/seg con una pendiente de 0,50 m sobre 1000 m. La sección es rectangular y el fac-
pendiente de 0,00144?
¿Qué profundidad tendría para poder transportar el mismo caudal con una
So/. 1,98 m
tor de rugosidad n:0,012. Determinar las dimensiones óptimas, o
rímetro mojado.
So/.
0.778 m
x
1.556 m
sea, las dimensiones que dan el menor pe-
190
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
70.
[cAP. l0
Un canal rectangular revestido, de 5 m de anchura, transporta un caudal de 11,50 m3/seg con una profundidad
de 0'85 m. Hallar n si la pendiente del canal es de 1,0 m sobre 500 m. (Aplicar la iórmula di Manning.)
Sol.
0.0122
71. Hallar la tensión cortante media sobre el perímetro mojado, en el problema 70.
.So/. 1,269 kglm2
1' Aplicando la fórmula de Manning, demostrar que la profundidad
teórica para una velocidad máxima en un conducto circular es 0,81 veces el diámetro.
73. Diseñar el canal trapezoidal óptimo para transportar 17 m3fsega una velocidad máxima de 1,00 m/seg.
Emplear
n:0,025 y como pendiente delas paredes I virtical sobre 2 horizontal. sol. :2,622m, b :1,23g m
|
74.
Calcular la pendiente del canal del problema anterior.
Sol.
0,000436
75. ¿Cuál de los dos canales representados en la Fig. 10-16 conducirá el mayor caudal si ambos están trazados
con
la misma pendiente? Sol. (ó) Sección trapezoidal
It_ o.oI
z:0,010
|
I
(ó)
Fig. l0-16
Fig. r0-17
76. Una alcantarilla de sección cuadrada tie¡e 2,4 m de lado y se instala según se indica en la Fig. 10-17.
¿Cuál
el radio hidráulico si la profundidad es 2,3 m?
So/. 0,70 m
77.
¿Cuál es el radio de la acequia semicircular,B, representada en la Fig. 10-18, si su pendiente
Sol. r _-- 0,538 m
Fig. l0-lE
,l
:
0,0200 y
C
:
es
50?
€7;
78. Calcular la energía específica cuando circula un caudal de 6 m3/seg por un canal rectangular de 3 m de ancho con
una profundidad de 0,90.
Sol. 1,152 m
79. Calcular la energía específica cuando crrcula un caudal de 8,4 m3/seg por un canal trapezoidal cuya solera tiene
2,4 m de ancho, las pendientes de las paredes 1 sobre r y la profundidad 1,17 m.
sol. l,3g m
80.
Una tubería de alcantarillado de 1,8 m de diámetro interior transporta un caudal de 2,18 m3/seg cuando la profundidad es de 1,2 m" ¿Cuál es la energía específica? Sol. 1,275 m
81.
En el Problema 78, ¿con qué profundidades debe circular el caudal de 6 m3/seg para que la energía específica sea
1,5 m kglkg? ¿Cuál es la profundidad crítica?
Sol. 0,43g m y 1,395 m, 0,1,42 m
82. En un canal rectangular de 3 m de ancho el caudal es de 7,16 m3/seg. Con profundidades de 0,6 m, 0,9
determinar si el flujo es subcrítico o supercrítico. So/. Supercrítico, subcrítico, subcrítico
83.
my
1,2 m,
En un canal rectangular de 3 m de ancho el caudal es de 7,16 m3/seg cuando la velocidad esde2,4 m/seg. Determinar la naturaleza {el flujo.
So/. Subcrítico
cAP.
84.
85.
FLUJO EN CANALES ABIERTOS
1ol
Para una profundidad crítica de 0,966 m en un canal rectangular de 3 m de ancho, calcular el caudal.
Sol. 8,92 m3/seg
Determinar la pendiente crítica de un canal rectangular de 6 m de ancho y n
26,5 m3 lseg
Sol.
:
0,012, cuando el caudal es de
0,00208
86.
Un canal trapezoidal, cuyas paredes tienen una pendiente de 1 sobre 1, transporta un caudal de 20 m3/seg. Para
So/. 3,03 m/seg
una anchura de solera de 4.8 m, calcular la velocidad crítica.
87.
Un canal rectangular de 1800 m de longitud, 18 m de ancho y 3 m de profundidad transporta 54 m3/seg de agua
(C: 40). Lalimpieza del canal hace que aumente C a 55. Si la profundidad en el extremo superior permanece
en 3 m, hallar la profundidad en el extremo inferior para el mismo caudal (apticando un solo tramo)'
Sol. lz:
88.
89.
90.
91.
3,274 m
: 0,016) trazado con una pendiente de 0,0064 transporta 16 m3/seg de agua. En conSol. 2,54 m
diciones de flujo crítico, ¿qué anchura deberá tener el canal?
Un canal rectangular (n:0,012) de 3 m de ancho y trazado con una pendiente de 0,0049, transporta 4,5 m'/seg
de agua. Para producir un flujo crítico, el canal se contrae. ¿Qué anchura deberá tener la sección cohtraída para
cumplir esta condición si se desprecian las pérdidas producidas en la gradual reducción de anchura?
Sol. 1,335 m
Un canal rectangular (n
En un canal rectangular de 3,6 m de ancho, C : 55, S :0,0225, el caudal es de 13,5 m3/seg. La pendiente del
canal cambia a 0,00250. ¿A qué distancia del punto de cambio de pendiente se tendrá la profundidad de 0,825 m?
(Empléese un tramo.)
So/. 31,50 m
Usando los datos del Problema 90, (a) calcular la profundidad crítica en el canal más plano, (ó) calcular la profundidad requerida para tener flujo uniforme en el canal más plano, (c) calcular la profundidad justamente antes
del resalto hidráulico, aplicando la ecuación del Problema 46. (Se observa que esta profundidad oourre a 31,50 m
Sol. 1,125 m, 1,512 m, 0,825 m
del cambio de pendiente, según el Problema 90.)
92. Un vertedero de pared gruesa tiene una altura de 0,40 m sobre la solera de un canal rectangular de 3 m de ancho.
La altura de carga medida por encima de la cresta del vertedero es de 0,60 m. Determinar el caudal aproximado
So/. 2,35 m3/seg
en el canal. (Emplear c : 0,92.)
93.
Demostrar que la profundidad crítica en un canal rectangular es 2V!lg.
94. Demostrar que la profundidad crítica en un canal triangular puede expresarse como 415 dela energía específica
mínima.
95.
Demostrar que la profundidad crítica en un canal parabólico es 3/4 de la energía específica mínima si las dimensiones del canal son y" de profundidad y b' de anchura de la superficie de agua.
96. Para un canal rectangular, demostrar que el caudal 4 por metro de anchura es igual
97. Para un canal triangular, demostrar que el caudal Q -- 0,6335(b'lfiE!¡f,.
98.
Para un canal parabólico, demostrar que el ca:udal Q: l,l068b'trf3.
a l.'70aE!1.
Capitulo
11
Fuerzas desarrolladas por los fluidos en movimiento
INTRODUCCION
El conocimiento de las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento son de gran importancia
en el análisis y diseño de dispositivos tales como bombas, turbinas, aviones, cohetes, hélices, barcos,
cuerpos en movimiento, edificios y multitud de dispositivos hidráulicos. Las ecuaciones fundamentales de la energía no son suficientes para resolver la mayoría de estos problemas. Es más decisivo el empleo de otro principio de la mecánica, el de la cantidad de movimiento. La teoría de la capa límite proporciona una nueva base para un análisis más minucioso. La experimentación, cada vez más continua
y extensa, proporciona sin cesar nuevos datos para conocer las leyes de variación de los coeficientes
fundamentales.
EL PRINCIPIO DEL IMPULSO-CANTIDAD DE MOVIMIENTO de la dinámica
Impulso
:
variación de
()F')¿
establece que
la cantidad de movimiento
: M(IV\
Las magnitudes físicas que intervienen en la ecuación son magnitudes vectoriales y han de tratarvectorial. Por lo general, es más conveniente utilizar componentes, y para
evitar posibles errores en los signos se sugiere utllizar las siguientes formas:
se de acuerdo con el álgebra
(o) En la dirección
X,
cantidad de movimiento inicial
(b) En la dirección
M:
impulso
:
cantidad de movimiento final
MV,rt )F,.¿ -
MV,2
(r)
* 2Fo. t -
O,[Vuz
(2)
Y,
¡4V0,
donde
*
masa cuya cantidad de movimiento varía en el tiempo f.
Estas expresiones pueden escribirse, utilizando los subíndices apropiados x,
y o z, enla
siguiente
forma:
) F'. :
pQ(V,
-
V
r),, etc.
EL COEFICENTE DE CORRECCION DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO É, que
lará en el Problema l. es
a-
j[
(3)
se calcu-
oo
(/')
^orrr
Para flujo laminar en tuberías, P : 1,33. Para flujo turbulento en tuberías, B varía de 1,01 a
la mayoría de los casos puede considerarse igual a la unidad.
192
1,01
. En
cAP.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
111
193
RESISTENCIA
La resistencia o arrastre es la componente de la fuerza resultante, ejercida por el fluido sobre
cuerpo en dirección paralela al movimiento relativo del fluido. Usualmente se da en la forma
Resistencia en kg
= C,,rO'r1
el
(5)
SUSTENTACION
La sustentación es la componente de la fuerza resultante, ejercida por el fluido sobre el cuerpo en
dirección perpendicular al movimiento relativo del fluido. Usualmente se da en la forma
Sustentación en kg
donde C¡ :
:
p:
A:
C¿
Z
:
-
C, pA
v2
(6)
2
coeficiente de resistencia, adimensional
coeficiente de sustentación, adimensional
densidad del fluido, en UTM/m3
un área característica, en m2, que normalmente es la proyección del cuerpo sobre
un plano perpendicular al movimiento relativo del fluido
velocidad relativa del fluido respecto del cuerpo, en m/seg.
RESISTENCIA TOTAL
La resistencia total está originada por la resistencia superficial y la resistencia de forma, debida a
la presión. No obstante, muy raramente se presentan ambos efectos simultáneamente con el mismo
orden de magnitud. En el caso de objetos, que no sufren una sustentación apreciable, la resistencia del
perfil o superficial es sinónima de resistencia total.
Objeto
Resis i encia supe
Resistencia de forma
rf ic ial
Resistencia total
I
Esferas.
despreciable
resistencia de
forma : resistencia total
2
Cilindros (eje perpendicular a la velocidad).
despreciable
resistencia de
forma : resistencia total
J.
y placas delgadas (perpendicular a
velocidad).
Discos
la
cero
4
Placas delgadas (paralelas a la velocidad).
resistencia superficial
5
Objetos
resistencia superficial
fl
uidodinámicos.
+
resistencia de forma
despreciable
resistencia total
o nula : resistencia total
pequeña o despreciable
:
resistencia total
COEFICIENTES DE RESISTENCIA
Los coeficientes de resistencia dependen del número de Reynolds para las velocidades bajas e intermedias, y se hacen independientes de dicho número para velocidades elevadas. Para velocidades muy
altas el coeficiente de resistencia depende del número de Mach, cuya influencia es despreciable a velocidades bajas. Los Diagramas F, G y H dan las variaciones de los coeficientes de resistenciapara algunas
formas geométricas. En los Problemas 24 y 40 se estudian estas relaciones.
Para placas planas y perfiles de ala, los coeficientes de resistencia se tabulan, usualmente, para el
área de la placa y para el producto de la cuerda por la longitud, respectivamente.
T94
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
[cAP.
1r
COEFICIENTES DE SUSTENTACION
Kutta ha determinado teóricamente los valores máximos de los coeficientes de sustentación para
placas planas delgadas, en posición no perpendicular a la velocidad relativa del fluido, por
Ct:2n
sen q
(7)
donde a : ángulo de ataque o ángulo que forma la placa con la velocidad relativa del fluido. para los
ángulos normales de funcionamiento, las secciones de los perfiles de ala actuales dan valores del 90
\
aproximadamente del valor máximo teórico. El ángulo a no deberá exceder de 25" aproximadamente.
NUMERO DE MACH
El número de Mach es una relación adimensional, que viene dada por el cociente de la velocidad
del fluido por la velocidad del sonido (llamada más frecuentemente celeridad).
Número de
Para gases,
, : u/tgRf
Mach = Nn, :
17
c
=
v
(8)
{ETp
(véase Capítulo 1).
Para valores de Vlc hasta el valor crítico de 1,0 el flujo es subsónico, para el valor 1,0 el flujo
sónico y paru valores mayores que 1,0 el flujo es supersónico (véase Diagrama f1).
es
TEORIA DE LA CAPA LIMITE
La teoría de la capa límite fue introducida por Prandtl. Esta teoría establece que, para un fluido
en movimiento, todas las pérdidas por fricción tienen lugar en una delgada capa adyacente al contorno
del sólido (llamada capa límite), y que el flujo exterior a dicha capa puede considerarse como carente
de viscosidad. La distribución de velocidades en la zona próxima al contorno es influenciada por la
tensión cortante en el contorno. En general, la capa límite es muy delgada en la parte de aguas arriba
del contorno y va aumentando su espesor hacia aguas abajo por la acción continuada de las tensiones
cortantes.
Para números de Reynolds bajos, toda la capa límite es gobernada por la acción de las fuerzas viscosas y en su interior el flujo es laminar. Para valores intermedios del número de Reynolds la capa límite
es laminar cerca de la superficie del contorno y turbulenta en las zonas algo más alejadas. Para valores
del número de Reynolds muy elevados la capa límite es totalmente turbulenta.
PLACAS PLANAS
En el caso de una placa plana de Z m de longitud, mantenida paralela al movimiento relativo del
fluido, se aplican las siguientes
l.
ecuaciones.
Capa límite laminar (hasta números de Reynolds alrededor de 500.000).
1,328
(a)
Coeficiente de resistencia medio
(b)
Espesor de la capa límite d (en m) a una distancia genérica
E
5,20
5.20
r
(c)
:
(C,,\
1,328
(e)
lR, I vu,
x
viene dada por
\/tr;, \/i.h
(10)
Tensión cortante ro en kg/m2; se calcula por
zo
donde Z :
x:
Z:
R¡_ :
:
0,BB
pvr/2\frn:
0,BB
(p.v/e{Ea -
0,33 pV2
fi\
velocidad de aproximación del fluido al contorno (velocidad no perturbada)
distancia al borde de ataque en m
longitud total de la placa en m
número de Reynolds local para la distancia x.
(1
1)
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
CAP
195
Como ponen de manifiesto las fórmulas dadas, el espesor de la capa límite es directamente proporcional a Ia raíz cuadrada de la longitud x y a la raiz cuadrada de la viscosidad cinemática e inversamente proporcional alaníz cuadrada de la velocidad. Análogamente, la tensión cortante en la superficie del contorno ro es directamente proporcional alaraíz cuadrada del producto de p y ¡ty alapotencia tres medios de V e inversamente proporcional a la raiz cuadrada de x.
2.
Capa límite turbulenta (contorno liso).
(:a) Coeficiente de resistencia medio (Cr) : *#
1\¿
para2
0,455
x
10s
<
RE
< 107
Q2)
loe
Q3)
para lo6 < RE <
Para contornos rugosos, el coeficiente de resistencia varía con la rugosidad relativa e/I y no con
el número de Reynolds.
K. E. Schoenherr ha sugerido el empleo de la fórmuta tllCo:4,l3lg (CrRu-), ecuación considerada de mayor precisión que las (12) y (13), particularmente para números de Reynolds por encima de 2 x 101
(b) El espesor ó de la capa límite se calcula
.
ó
"
0,38
Rg'to
para5xlOa<RE<106
(r4)
106<R¿<5x108
(.r5)
o))
Para
RF"
(c) La tensión cortante
en la pared se estima por
,":ffiffi:
3.
o,ossr+p(#)'^
(r6)
Capa límite en la transición de laminar a turbulenta sobre la placa (R" de 500.000 a 20.000.000,
aproximadamente).
(a)
Coeficiente de resistencia medio (Cr)
:-
0'455-- 1700
(lgro Ru)''tt- Rr
(r7)
El Diagrama G ilustra la variación de Co con el número de Reynolds para estos tres regímenes
del flujo.
GOLPE DE ARMTE
El golpe de ariete es un término que se utlliza para describir el choque producido por una súbita
disminución en la velocidad del fluido. En una tubería, al cerrar una válvula, el tiempo que tarda la onda
de presión en viajar aguas arriba hasta la embocadura de la tubería y volver aguas abajo hasta la válvula viene dado por
Tiempo en seg : 2 x
T
longitud de la tubería en m
celeridad de la onda de presión en m/seg
c
El aumento de presión producido por el cierre rápido de una válvula
o
(18)
:2L
se calcula por
: densidad x celeridad x variación
dp:pcdV
obien dh:cdVlg
Variación de presión en kg/m2
donde dh es \a variación de la altura de presión.
de velocidad
(1e)
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
196
Para tuberías rígidas,
la celeridad de la onda de presión
[cAP.
ll
es
módulo de elasticidad volumétrico en kg/m2
densidad de fluido
(20)
Para tuberías deformables. la expresión toma la forma
(21)
+ (EB/E)(d/t\)
:
:
t:
donde E
d
módulo de elasticidad de la pared de la tubería,
diámetro de la tubería en cm
espesor de la pared de la tubería en cm.
kgl^'
VELOCIDADES SUPERSOMCAS
A velocidades supersónicas cambia totalmente la nattraleza del flujo. El coeficiente de resistencia
está relacionado con el número de Mach N, (véase Diagrama H), ya que la viscosidad tiene una influencia muy pequeña sobre la resistencia. La perturbación producida en la presión forma un cono,
cuyo vértice está en la parte delantera del cuerpo u ojiva en el caso de un proyectil. El cono representa
el frente de onda u onda de choque, y puede ser fotografiado. El ángulo del cono o ángulo de Mach s viene
dado por
SeOa =
celeridad
velocidad
1
1
V/c
N¡¿
(22)
Problemas resueltos
l.
Determinar el coeficiente de corrección B de la cantidad de movimiento, que ha de aplicarse cuando
se emplea la velocidad media V en el principio de la cantidad de movimiento, en el caso de flujo
bidimensional.
4""
4ti'/
Fig.
ll'l
Solución:
El caudal en masa dM que circula a través del tubo de corriente mostrado en la Fig. 11-1 es igual a
La cantidad de movimiento correcta en la dirección X es
p dQ.
(Cont.
mov.),=
faur" =
JJJ
fpd.Qr,
=
(pv,(udAl
Utilizando la velocidad media, en la sección recta, la cantidad de movimiento correcta
(Cant. mov.),
: P(MV,):
F@QV,): pp(AV)V,
sería
CAP
1II
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
197
Igualando los dos valores antenores
L(
= LelA'lD
pAV1V,)= AJ^
'lt
,rtvra¿.
ya que del diagrama vectorial de las velocidades de la figura se deduce
2.
uJV,: ¡¡y'
Calcular el coeficiente de corrección de la cantidad de movimiento cuando el perfil de velocidades
satisface la ecuación u: u^"*l(r! - rt)lrlf. (Véase Capítulo 6, Problema lT,pata el croquis).
Solución:
Del Problema 17 del Capítulo 6, la velocidad media es igual
z\D^,. Utilizando
este valor de la velocidad me-
dia para Z. se obtiene
.
B
1f
- Á)
A
,r.z
I ¡'.[u" "f r?.- r,t/rl' ^
G)dA = ;4J" l-1,-*
Jt2;rttrt
-4rl"i-lri-lrjr = j = r,¡s
3.
10 cm de diámetro que se mueve hacia la derecha incide sobre una placa plana
situada normalmente al eje del chorro. (a) Para una velocidad de 20,0 m/seg, ¿qué fuerza se reque-
Un chorro de agua de
rirápara mantener la placa en equilibrio? (á) Comparar la presión dinámica media sobre la placa
con la presión máxima (presión de estancamiento) si la placa tiene un área 20 veces mayor que la
del chorro.
Solución:
Se toma el eje X en la dirección del eje del chorro. Así, la placa anula toda la cantidad de movimiento inicial
en la dirección X. Llamando M ala masa de agua que reduce su cantidad de movimiento a ctro en df segunla fuerza ejercida por la placa sobre el agua hacia la izquierda, se tiene:
dos y
{
: cantidad de movimiento final
M(20,0) - F, dt : M(0)
!2¿,
eo,,¡ - F,ttt : o
q
h)
Cantidad de movimiento inicial
-
impulso
AVV
1000[(n 4x0.10)'z]{20.0¡ x 20.0
_
yF':ff:320kc@acialaizquierdaparamantenereIequilibrio).
No existe componente según la dirección Y de la fuerza en este problema, ya que las dos componentes, según
esta dirección, en la placa se compensan una con otra. Se observa que también se va dt, por lo que hubiera
podido escogerse igual a 1 segundo.
Es fácil ver que esta expresión del impulso-cantidad de movimiento puede ordenarse en la forma
F = Lrv -*Qv -!6v¡v
s9
(b) Para obtener la presión media se divide la fuerza dinámica
presión media
o.,",
- qglze
r..0;:::; , *, 5;;,-,
4I
= {
'-:#*,,""
- pAV, (kg)
(l)
total por el área sobre la que actúa.
=
u¡ 'v2'
Jl.,-"":",.,-','"' :i,'l-^),',r,t2g) (kstm,)
Por tanto, la presión media es 1/10 de la presión de estancamiento, en este caso.
4.
Una placa curvada desvía un ángulo de 45" un chorro de agua de 10 cm de diámetro. Para una velocidad del chorro de 40 m/seg, dirigida hacia la derecha, calcular el valor de las componentes de
la fuerza desarrollada contra la placa curvada (se supone que no existe rozamiento).
Solución:
Las componentes se elegirán en la dirección inicial del chorro y en la dirección perpendicular a la anterior.
El agua cambia su cantidad de movimiento por la acción ejercida por la fuerza que produce la placa sobre el chorro.
I98
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN
(a)
Para la dirección X, tomando el signo
*
.(
hacia la derecha y suponiendo
Cantidad de movimiento inicial
+ impulso :
MV"t+ F"dt =
yQ!v,,+ F,dt _
g9
Ordenando, y al observar que
MOVIMIENTO
ICAP.
11
positiva,
cantidad de movimiento final.
MV.¿
*erdtv",
V,,: *V,, cos 45', se obtiene
1000[(z/4)(0.10)'¿'l(40)..^
- _=..fr:$o
4:
x
0.707
_ 40): _375
kg
donde el signo menos indica que .Q se dirige hacia la izquierda (se supuso dirigida hacia la derecha). Si .F]
hubiera supuesto dirigida hacia la izquierda se hubiera obtenido la solución +375, indicando el signo que
la hipótesis había sido la correcta.
La acción del agua sobre la placa es igual y opuesta a la ejercida por la placa sobre el agua. De aquí,
componente X sobre la placa : 375 kg y dirigida hacia la derecha.
se
(b) Para la dirección
)2, tomando hacia arriba
+
Fy
o+
Fy
MVy,
Y
Fy: +906 kg dirigida
placa:906 kg y dirigida
hacia arriba
dt
el sentido positivo,
:
' dt y
MVy,
r000(0'0!'!-9)(40)dt
e,707
9,8
x
40)
actuando sobre el agua. Por tanto, la componente
Í
sobre la
hacia abajo.
5. La fierza ejercida por un chorro
de agua de 2 cm de diámetro sobre una placa plana, mantenida
normalmente al eje del chorro, es de 70 kg. ¿Cuál es el caudal en l/seg?
Solución i
De la ecuación (1) del Problema
3.
: pAV2
,,:toy?'
9.8
,O
De aquí, Q
6.
:
AV
:
_
I
000[(z /4t0.02\21V2
-t
lful4)(0,02)rl(46,8)103
:
y V:
46.8 mlsee.
r4,.1 tlsec.
Si la placa del Problema 3 se estuviera moviendo hacia la derecha a una velocidad de 10,0 m/seg,
¿qué fuerza ejerceria el chorro sobre la placa?
Solución:
Utilizando ¡ : 1 segundo, MV,, inicial + F_(1) : MV*, final.
En este caso, la masa de agua que, por unidad de tiempo, está cambiando su cantidad de movimiento no es
igual a la que lo hace en el caso de placa en reposo. En el caso de placa en reposo, en un segundo, una
masa de agua de
(ru/g)(volumen): (wls)(A
x
20,0)
cambia su cantidad de movimiento. Para la placa moviéndose, en un segundo la masa que incide contra la placa es -
M
donde (20,0
De
Y
F,:
:
(wlg)lA(20,0
-
10,0)l
10,0) es la velocidad relativa del agua respecto de la placa.
aquí,
F,:
fuerza de la placa sobre el agua
(10,0
:
la placa será de 80 kg dirigida hacia la
-
20,0)
-80 kg dirigida hacia la izquierda. Por tanto, lafuerza del agua sobre
derecha.
cAP.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
111
199
Si la placa se hubiera movido hacia la izquierda a una velocidad de 10,0 m/seg, la masa de agua, que en un
segundo cambia su cantidad de movimiento, sería mayor. El valor de 2,, es ahora igual a - 10,0 m/seg. El rnó-
dulo de la fuerza
F,:
1
sería
- (- l0'0)](-
1000(0'0079)[20'0
9,8
:
10,0-20,0)
-725kg di'igida hacia la izquierda y que actúa sobre el agua.
El álabe fijo mostrado en la Fig. 11-2 divide
|"6\)
el,.iqhorro
de forma que salen en cada una de las direcciones QQl/seg.
Para una velocidad inicial de 15,0 m/seg, determinar los
valores de las componentes en las direcciones X e Y de
Ia fuerza necesaria para mantener el álabe en equilibrio
(suponer que no existe fricción).
Solución:
(a\
En la dirección X, tomando ,
MV,,
-
F,(1)
: I
segundo,
: ,MV,, + +MV',,
.^
r_r(10.6) _ 4 : 1000 30 x l0-3 XU
+ /.))
aR
)
1000(30 x l0- 3l
9,8
y F*
(b)
--
+32,4
Fig.
-(--
11,5
-
En la dirección
:
ll-2
+20,9 kg dirigida hacia la izquierda.
)2,
MVr,- 4,(l) : +MVy,-rMV;.
rytqfil91(10,6) Y Fy: +32,4
8.
-
3,1
t:
#,lL#fx+15,0 -
13'o)
:29,3 kg dirigida hacia abajo.
Un chorro de 10 cm de diámetro y a una velocidad de 30 m/seg, incide sobre un álabe móvil, que lleva
una velocidad de 20 m/seg en la misma dirección del chorro. La dirección de salida del álabe forma
un ángulo de 150" con la de entrada. Suponiendo que no existe rozamiento, calcular las componentes en las direcciones Xe I'de la fuerza que ejerce e! agua sobre el álabe. [Véase Fig. 11-3(a)']
30 m/seg
+
(¿)
(b)
Fig. n-3
Solución:
: 30 - 20 : l0 m/seg hacia la derecha'
La velocidad del agua en 2: V,s,"1tr"t"# Vh^r. [véase Fig. 11-3(ó)] de la cual Vz.:
la derecha y Vz" : 5,00 m/seg hacia arriba.
La velocidad relativa V,,
Se aplica aúora
el principio del impulso-cantidad de movimiento en la dirección
X.
11,33 m/seg hacia
200
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
la)
[cAP.
11
- 4(1) : (final)MV,
Mt3o) - F,: M(+r1,33)
11.33) : 149,5 kghacia la izquierda y actuando sobre el agua.
gniciattMV,
i0
\
y F,:*P¡11¡,19¡ 10f0)
9.8 '4
' -\_/
(b)
(rnicial\MV,
M(0)
y
Fy
:
1000 z
frtitO.tOl'
x
10](0
-
5)
-
4(1)
- F':
:
:
(finat)MV,
M(+S)
-40,0 kg
hacia arriba y actuando sobre el agua.
Las componentes de la fuerza ejercida por el agua sobre el álabe son 149,5 kg hacia la derecha y 40,0 kg
hacia abajo.
9.
Si en el Problema 8 el rozamiento reduce la velocidad del agua respecto del álabe de 10,0 m/seg a
9,0 m/seg, (a) ¿cuáles serán las componentes de la fuerza ejercida por el álabe sobre el agua? y
(á) ¿cuál será la velocidad final absoluta del agua?
Solución:
Las componentes de la velocidad absoluta en (2) se determinarán resolviendo un triángulo análogo al de
la Fig. ll-3(á) del Problema 8, utilizando un vector horizontal igual a 20,0 y otro igual a 9,0 dirigido hacia la
izquierda y hacia arriba formando un ángulo de 30' con el anterior. Así,
V2*
(a)
Por tanto,
:
12,2 m/seg hacia la
x lOlt¡o,o A : *3tir0,10)2
v,ó +
+:
ff1jf0.10)2
(b) A partir de las componentes
Vt
: !4.n,4t + (4,5f :
0,:
10.
&ra
derecha
x
101(0
!
Vr"
:
4,5 mlseg hacia arriba
12,2):142,5 kg hacia la izquierda y actuando sobre el agua.
- 4,5): -36,0 kg hacia arriba y actuando sobre el agua.
dadas antes, la velocidad absoluta con que el agua abandona el álabe será
13,0 m/seg hacia arriba y hacia la derecha formando un ángulo con la horizontal
te 9,5112,2) : 20,2.
Para una velocidad dada de un chorro,
determinar las condiciones que producirán
un trabajo (o potencia) máximo sobre una
serie de álabes móviles (despreciando el rozamiento a lo largo de los álabes).
1)
v
ut'i t"
Solución:
I
Se considera en primer lugar la velocidad
de los álabes que proporciona una potencia má-
ll
t6l
l*3-]
6
I
Fig. ll-4
xima. Con referencia a la Fig. 11-4, se va a
obtener una expresión que dé la potencia desarrollada en la dirección X, suponiendo que los álabes se mueven a lo largo del eje X. Como el chorro comple-
to incide sobre uno u otro álabe de los diversos que forman la serie, la masa total que está fluyendo es la que cam-
bia su cantidad de movimiento, es dectr, M
(1)
:
:
(wldAv.
trabajo por segundo : fiierza x distancia recorrida en un segundo en la dirección de la fuerza.
Se determina ahora la fuerza aplicando el principio de la cantidad de movimiento. La velocidad abso-
Potencia
luta final en la dirección X
es
V|:,
y
cantidad de movimiento inicial
Mv
- ry"o)tr
+ (V-o)
-
impulso
coso"
:
cantidad de movimiento final
Mlu + (V - a) cos d"l
@AV/o)l$ - z)(1 -
cos o")l
cAP.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
111
Potencia
Entonces,
p
: (wAVlillV -
uX1
-
201
cos O,)lu
Q)
Como (Z- u)u es la variable que debe tomar un válor máximo parala potencia máxima, al igualar
su primera derivada a cero se obtiene
: (wAvlg\Í -
dPldu
Dedondeu
:
cos
0,)(V
-
2u)
:
g
V12,esdecir, losálabesdebenmoverseaunavelocidadigualalamitaddelavelocidaddelchorro.
(2)
Por simple inspección de la fórmula (1)anterior se ve que para unos valores dados de V y u, lamáxima potencia se obtiene cuando 0,: 180'. Como, por lo general, este ángulo no puede conseguirse
en la práctica, un ángulo alrededor de 170' es el adecuado. La reducción de potencia es pequeña en
tanto por crento.
(3)
En la dirección Y, la fuerza no compensada se equilibra utilizando álabes o cazoletas cuspidales, que
desvian la mitad del caudal de agua del chorro a cada uno de los lados del eje I/.
11-5, ¿con qué ángulo debe incidir un chorro de agua, que se mueve
a una velocidad de 15,0 m/seg, sobre una serie de álabes, que se mueven a una velocidad de
11. (c) Con referencia a la Fig.
6,0 m/seg, para que el agua entre tangencialmente en los álabes, es decir, no haya choque? (ó) ¿Qué
potencia se desarrollará si el caudal es de 125 l/seg? (c)¿Cuál es el rendimiento de los álabes?
I
x/'
46o
I
099
Fis. 1l-5
Solución:
lcl
Velocidad del agua
\a)
:
15,0
o
velocidad del agua/álabes -c' velocidad de los álabes
en L0,
:
? en 40'-r' f,Q+
Del diagrama vectorial, Fig. 11-5(ó), 15 cos 0,
Resolviendo estas ecuaciones, 0, : 25'5'.
(b)
6,0
+ ¡,
15 sen
0,: | ! tg 40' : ¡'/r :
De la Fig. 11-5(á) puede determinarse la velocidad del agua respecto de los
y
:
15 sen
0"
:
15 sen 25"5'
Además, Z*, (absoluta)
M
tuerzaF*
lc)
:
Rendimiento
1000
:
x 0 lr5
:
6,3ó
m/seg y
0,8391.
álabes,
V^etut: y/(sen 40')
:
9,99
-7..t.
:
0,99 m/seg, hacia la izquierda, como se deduce de la Fig. l1-5(c). Por tanto,
V,
cos 0,
[15
x
966
966
:M(ts)'z
t435
0.906
- (-0,99)] :
161 kC y la potencia
E,: 16l x 6:966
kgm/seg.
202
12.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
[cAP. lr
Una tubería de 60 cm de diámetro, que transporta 900l/seg
(Dr : 0,85), tiene un codo de 90' en un plano
horizontal. La pérdida de carga en el codo es de 1,10 m de
aceite y la presión a la entrada de 3,00 kglcmz. Determinar
la fuerza resultante ejercida por el aceite sobre el codo.
de un aceite
Solución:
Con referencia a la Fig. 11-6, el diagrama del cuerpo libre, que se
muestra, pone de manifiesto las fuerzas estiiticas y dinámicas que
actúan sobre la masa de aceite que ocupa el codo. Dichas fuerzas se
calculan como sisue:
("\ P, : p1A:
3,00
x
f,n(60)2
:
Fig. lr-G
8480 kg.
(ó) Pz : pzA, donde p, : pt - pérdida en kgf cm2, como se deduce a partir de la ecuación de Bernoulli, ya
quezr:zz!Vt:Vz.Portanto,Pr:(3,00-0,85x1000x1,10/104)xf,n(60\2:8220k8.
(c) Mediante el principio del impulso-cantidad de movimiento y sabiendo que Z1 : Vz : QIA : 3,2 mlseg,
MV,, + E (fuerzas en la direcbión X) x 1 : MV,,
8480 - 4:
(0,85 x 1000 x 0,9000/9,8)(0
- 3,2): -250 ks
y
F,: 8730 kg hacia la izquierda y sobre el aceite
(d) Análogamente,para t: I segundo,
MVy, + E (fuerzas en la dirección I) x 1 : MVr,
Fy
!
- 8220:
Fr:
(0,85
x
1000
x
0,900/9,8)(3,2
+8270 kg hacia abajo
y
- 0):
+250 kc
sobre el aceite.
Sobre el codo la fuerza resultante R actúa hacia la derecha y hacia abajo, y su valor es igual a
R
13.
: J@nf
+ $270f
La tubería de 60 cm del Problema
:
:
P.02s kg con 0,
arc
tg
(821018730)
:
43,4
12
está conectada a una tubería de 30 cm
mediante un cono reduclor normal.
Para el mismo caudal de 900 fseg de
aceite, y una presión de 2,80 kglcm2
en la sección 1 (Fig. 11-7), ¿cuál es
la fuerza ejercida por el aceite sobre
el cono reductor si se desprecian las
pérdidas de carga en el mismo?
Solución:
Como
Zt:3,2
mlse&,
V2:Qll)2 x3,2:
12,8 m/seg. Además, al aplicar la ecuación de
Bernoulli entre las secciones I y 2, a la entrada
y salida del reductor, se obtiene
.Dt
l-'
'w
uesPeJanoo'
I
3.212
29
Fig.
.D¡
: ('--:
'ü +
,12.8f
desp.)
25,r m de
aceite
y pi:2,r3
+ 0) - (pérdidas
p2: 2'80_I*:
; oJ5 r., rooo +- +:
E - 9:
E'
ll-7
29
+0)
kglcmz.
En la Fig. 1l-7 se representan las fuerzas que actúan sobre la masa de aceite que ocupa el reductor.
i: í:1:
=
1:,1\
=
i,
#Ítli:
ff ffiff [
=
"2?3
l1'::]?",
cAP.
203
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDqS EN MOVIMIENTO
111
Varía la cantidad de movimiento del aceite en la dirección X. Por tanto,
MV*, + E (fuerzas en la di¡ección X)
(7920
-
1510
-,4)l -
x
(0,85
1000
x
x | - MV,.
0,900/9,8)(12,8
-
3,2)
y F, - 5660 kg, actuando hacia la izquierda sobre el aceite.
Las fuerzas en la dirección I se equiübran unas con otras y 4, : 0.
De aquí, I fuerza ejercida por el aceite sobre el cono reductor es de 5660 kg actuando hacia le derecha.
14. Por urr codg reductor de 45o, de 60 cm de diámetro en la sección de aguas arriba y 30 cm en
la de aguas abajo, circulan 450 l/seg de agua
con una presión de 1,50 kglcm2 en la sección 1
(Fig. 11-8). Despreciando cualquier pérdida en
el codg, calcular la fuerza ejercida por el agua
sobre el c6rdo retuctor.
Soh¡ci¡io:
\: 0,4501At:
Vz: 6,40 m/seg
Y
1,60 m/seg
La ecuación de Bernoulli, entre las secciones I y 2,
da
2.56 0)-(perdidadesp.)-(--:+
D¡ 40.96
(1.50 x lOa*E*
2s +0)
,*
de la cual, pzlw:13,0 m y pi:1,30 kglcm2.
En la Fig. l1-8 se mu€stran las fuerzas estáticas y dinámicas ele actúan sobre la masa de agua.
Pt : ptAt: 1,50 x Lnn(60)t :4240 kC
Pz : pzAz: 1,30 x *n(30)2 : 920 kg
Pz* - Pz,: 920 x 0,707 : 650 kg
En la dirección X,
MV*, + E (fuerzas en la dirección X)
(4240
Y
F,:
3455 kg hacia
En la dirección
la
-
650
- 4)1 :
(1000
x
x|:
0,a50l9,8)(6,40
x
MV*,
-
0,707
1,60)
izquierda.
I,
(* F" -
650)1
:
(1000
x
0,450/9,8X6,40
x
0,707
-
0)
Y Fy:860 kg hacia arriba'
La
f:uena ejercida por el agua sobre el codo reductor
., f - .r(f+SS;' +
la derecha y hacia abajo, siendo el ángulo que forma con la horizontal 0,
15.
:
laOO¡'
:
3560 kg dirigida hacia
13'59'.
arc tg (860/3455)
:
Con referencia a la Fig. 11-9, un chorro de agua de 5 cm de diámetro choca con una compuerta
cuadrada de 1,20 m de lado y que forma con la dirección del chorro un ángulo de 30". La velocidad del chorro es de 20 m/seg e incide en el centro de gravedad de la compuerta. Despreciando
el rozamiento, ¿qué fuerza normal a la compuerta habrá que aplicar en el extremo opuesto a la
bisagre para mantenerla en equilibrio?
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
204
Fig.
[cAP.
11
ll-9
Solución:
La fuerza ejercida por la compuerta sobre el agua será perpendicular a la compuerta, por no existir rozamiento. De aquí, por no actuar ninguna fuerza en la dirección I,l/, mostrada en la figura, no habrá variación de la cantidad de movimiento en esta dirección. Por tanto, utilizando las componentes en la direcctó¡ W,
Cantidad de movimiento inicial *0
+M(V cos 30")
(wlg\(A.o",V)(Z cos 30')
Pero V
:
Vt
: cantidad de movimiento final
: tMtvt - M2V2
: (wlq)@'V')V, - (wlg)(A'V2)V2
: Vt (por despreciarse el rozamierito). Entonces,
,4"no.. cos 30" : At - Az !, por la ecuación de continuidad, l"no,. : At t
Az
Resolviendo este sistema,
A1
:
A"¡,o,.(l
+ cos 30')/2:
La corriente de agua
ción
X
se
A",.o,.
x 0,933 !
Az:
A"¡o,.(l
-cos 30")12: A"ho,. x
0,067
divide como se ha indicado y la ecuación de la cantidad de movimiento en la direc-
da
_1000
I
_1000
I
_1000
I
[#(;zxo.osf20]20_r,(ll_¡:1_2x0.05)10.933(20)117.3+[#t;"lto.os),0.067(20)](_17.31
^
-9,E 4
-9,E 4
-9,8 4
de donde
F, :20,5 kg.
Análogamente, en la dirección
M(ot +
)2,
t*Pro.oozx0.e33)201
4,(l):
- r0 + t+P(0.002x0.067)201(-r0)
-v,ó
-v,6
'
de donde {,: 35,3 kg.
Para la compuerta, como cuerpo libre, IMo,."*.. : 0 y
+20,s(0,3) + 35,3(0,ó x 0,866) - P(r,2): 0
16.
o
P
:20,4
kg
Deterniinar la reacción que produce un chorro que fluye por
un orificio practicado en la pared lateral del depósito que contiene el líquido.
Solución:
En la figura adjunta se toma como un cuerpo libre la masa de líquido ABCD. Las únicas fuerzas horizontales presentes son d y 4, que
producen la variación en la cantidad de movimiento del agua.
(Fr- Fr)x 1: M(V, -
Z, ), donde
Z, puede considerarse
despreciable.
Fie. ll-10
cAP. 1ll
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
-
ReacciónF:Ft-F,
Pero A, =
De dondeF
(1)
c"Ao
=
gg v"
= @v,.
V, = c,tF2gh.
y
w(ctA.)
o
wQ
205
desh) =
(cc.,)uA,(zh)
(hacia la derecha sobre el líquido)
Para los valores medios c : 0,60 ! c,: 0,98, la fuerza de reacción es -F: l,l76whAo. De aquí, la
fuerza que actúa hacia la izquierda sobre el depósito es, aproximadamente, el 18\ mayor que la fuerza estática que actuaría sobre un tapón que cerrara justamente el oriflcio.
(2) Para un flujo ideal (sin rozamiento y sin contracción),
F -- 2(whA).
Esta fuerza es igual al doble de la que actuaría sobre el tapón que cerrara el orificio.
(3)
17.
Para el caso de una boquilla (c" : 1,00), la reacción es F
de carga efectiva que da lugar al flujo.
:
clwA(2h), donde ú representa la altura
Los chorros de un aparato de riego por aspersión tienen 3 cm de diámetro y salen en dirección normal al radio de 60 crn. Si la presión en
las bases de las boquillas es de 3,50 kgfcm2,
¿qüé fuerza debe aplicarse sobre cada uno de
los brazos, a 30 cm del eje de giro, para mantener el aspersor en reposo? (Utilizar c, : 0,80
Y c"
:
Fig. l1-11
1,00.)
Solución:
La reacción producida por el chorro del aspersor puede calcularse por el principio de la cantidad de movimiento. Además, como la fuerza que produce el cambio en la cantidad de movimiento en la dirección X actúa
a 1o largo del eje X, no da lugar a ningún par. Interesa, por tanto, la variación de la cantidad de movimiento en
la dirección I. Pero la cantidad de movimiento inicial en la dirección I es nula. La velocidad del chorro será
Vy: c,JW:0,80.rtb5p + altura
F,dt: M(V,\: t# r
Así,
de velocidad despreciable)
In(0,03)2
x
:21,0
m/seg
2r,0 dtl(2r,o)
de donde Fr : -31,8 kg dirigida hacia abaio y actuando sobre el agua. De aquí, la fuerza que el chorro ejerce
sobre el aspersor es de +31,8 kg y dirigida hacia arriba. Finalmente,
ZMo
18.
: g,
,r'(0,3)
-
0,6(31,8)
: 0,
F
:
63,6 kg para el equilibrio
Desarrollar las ecuaciones básicas que dan el empule en los dispositivos de propulsión.
Fig. il-12
Solución:
En la Fig. 11-12 se muestra un motor a reacción d que utiliza W kgde aire por segundo. En la sección 1,
la velocidad V, del aire que entra en el motor es igual a la velocidad de vuelo. También se considera que el aire
entra a la presión atmosférica (a la que no tienen lugar ondas de choque). En el motor E el aire es comprimido
y calentado por combustión. El aire abandona la tobera en la sección 3 a una gran velocidad, con lo que su cantidad de movimiento ha aumentado notablemente.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
206
[cAP.
11
En la mayoría de los motores a reacción, el peso por segundo de aire que sale del motor es mayor que el
que entra, debido a la adición del combustible. Este aumento viene a ser del 2 \. El peso de aire a la salida se
mide, por lo general, en la sección 3.
El empuje se evalúa en función de la variación en la cantidad de movimiento como sigue:
lV,¡Vn
g -
EmpuJe¡ =
WrV,
(A)
g
En los casos en que la presión en la sección 3 es mayor que la atmosférica se obtiene todavía una aceleración adicional del gas. La fuerza adicional es igual al producto de la diferencia de presiones por el áréa de la
sección 3. Así, para la variación de la cantidad de movimiento entre las secciones I y 3, se obtiene
tiL
F
t
Az(pa-o,¡
- W*
(B)
Si se quiere determinar la velocidad efectiva de eyección, se resuelve el sistema de ecuaciones simultáneas
(A)
v
@),
v, = r,*#(p"-p^)
Se observará que si
p. : pn, Vo:
(c)
Vr.
El término WrVrlg se conoce con el nombre de empuje negativo o resistencia de atraque. El empuje bruto
(producido por la tobera) es WrVnlg en la ecuación (A) y WrVrlg -f Ar(p, - p+) en la ecuación (.B).
Para un motor cohete el empuje se calcula mediante la ecuación (A) por ser V,
19.
:
0 en estos dispositivos.
En el laboratorio se ensaya un motor a chorro. El motor consume 23,0 kglseg de aire y 0,20 kglseg
de combustible. Si la velocidad de salida de los gases es de 450 m/seg, ¿qué valor tiene el empuje?
Solución:
Mediante
la fórmula (A) del Problema 18,
empuje F
:
(23,2
x
450
-
23
x 0)19,8:
1060 ke.
20. lJn motor
a chorro funciona a 180 m/seg y consum€ un caudal en peso de aire de 23,0 kg/seg.
¿A qué velocidad ha de descargar el aire para que el empuje sea igual a 680 kg?
Solución:
Empuje F
:
680
:
(2319,8)(V,il
- 180),
de
donde
V"^r.
:
470 mfseg.
21. En el laboratorio se ensaya un motor
turborreactor bajo unas condiciones semejantes a las que
reinan en cierta altitud, donde la presión atmosférica es de 3830 kglm' (ab), la temperatura Z :
238,5" K y el peso específico Lt) : 0,549 kg/m3. Si el área de la sección de salida del motor es de
1400 cm2 y la presión de salida la atmosférica, ¿cuál es el número de Mach si el empuje bruto es
de 670 kg? (Utilizar k: 1,33.\
Solución:
Como en la ecuación (B) del Problema 18, p,
F
:
W"VJg
:
@A"V")VJg,
El número de Mach Nu
:
vJc
:
670
:
:
P¿
Y Vt
:
0,5a9Q,140)Vls,
vr,j*sRr
:
0,
V":
292 mlseg
ZSZt¡l.lltc:sltZS.lXZlZ^Sl
:
o.lt
22. En el Problema2l,
¿cuál será el empuje bruto si la presión de salida fuera de 0,70 kg/cm2 (ab) y
el número de Mach igual a 1,00? (Utilizar k : 1,33.)
Solución:
Con el fin de calcular la velocidad de salida para las nuevas condiciones en la salida, se calcula la tempe-
ratura en dicha sección a partir de
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
207
TJ238,5: (0,70 x 104/3830)(r-1tk, de donde I":277" K.
Entonces,
V":
Nuc
: NrJt
gLr
: \O0rI.:f,e,Ul29,re77):
325 m/seg.
Además, se calculará el peso específico en Ia salida a partir de
(*rlwr)o
: ptlpz,
@J0,549)1'33
:
0,70
x 104/3830, u.," -
0,864 kg/m3
Mediante la ecuación (B) del Problema 18,
F
:
0,864(0,140)(321219,8
+
0,140(7000
_
3830)
_o:
1746 ke.
23. Un motor
cohete quema su propulsor a raz,ón de 6,90 kg/seg. Los gases, productos de la combusel cohete'a la presión atmosférica y a una velocidad relativa de 980 mlseg. La
tiene un área de salida de 320 m2 y el peso bruto del cohete es de 230 kg. En -un
ado, el motor cohete desarrolla una potencia de 2500 cv. ¿cuál es la velocidad
del cohete?
Solución:
En un motor cohete no entra aire del exterior de forma que los términos de la sección I en la ecuación (.8)
del Problema 18 se anulan. Además, como la presión de salida es la atmosférica, p3: pa. Asi, el empuje
Fr:
(t4tJg)V":
y como 2500 CV
24,
(6,90/9,8X980)
:
690 kg
: F7V""¡.J75, Vcohete: 272 mlse1
Suponiendo que la resistencia es función de las magnitudes físicas: densidad, viscosidad, elasticidad y velocidad del fluido, y de un área característica, demostrar que la resistencia es función
de los números de Mach y de Reynolds (véase capítulo 5, problemai 9 y 16).
Solución:
Como ya quedó establecido en el Capítulo 5, un estudio mediante el análisis dimensional conducirá a la
relación deseada, como se indica a continuación.
Fo =
o
E,V, A)
Fn = CoaubEcv¿Lze
Entonces, dimensionalmente,
y
f t (p, p,
1=a*blc,
-F
r
Lo To
= (F" 7r" L-4a) (Fb Tb L-2b)
0=-4a--2b--Zc*dl2c,
Resolviendo el sistema en función de b
=
f-*¡ (Ld T-d) L2"
0=2a+b-d
y c 'se obtrene
a = I-b-c,
Sustituyendo, Fo
@"
d = 2-b-2c,
e
= l-b/2
C pt-b-c lb Ec V2-b-2c L2-b
Expresando esta ecuación en la forma usual se llesa a
F=C'r"/ttr"E''
o
¡r =
^p,
A pV,
\Tpv)" \pw)'
f"(B",Nr)
Esta ecuación pone de manifiesto que el coeficiente de resistencia de objetos sumergidos en corrientes fluidas de forma geométrica dada y orientados de forma definida respecto de la corriente, dependen únicamente
de los números de Reynolds y de Mach.
En el caso de fluidos incompresibles el número de Reynolds es el predominante, y la influencia del número
de Mach es pequeña o despreciable; por tanto, los coeficientes de resistencia son función exclusiva del número
de Reynolds Rr. (Véanse Diagramas F y G del Apéndice.) En realidad, para valores pequeños de Nnn el fluido
puede considerarse incompresible en lo que se refiere al coeficiente de resistencia.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
208
[cAP.
r
r
Cuando el número de Mach N, es igual o mayor que 1,0 (con velocidades del fluido iguales o mayores que
la velocidad de propagación del sonido) el coeficiente de resistencia es solo función de N¡a. (Véase Diagrama ,I1
del Apéndice.) No obstante, frecuentemente se presentan situaciones en que el coeficiente de resistencia depende
tanto de Ru como de Nr.
Puede hacerse un estudio análogo del coeficiente de sustentación, y las conclusiones a que se han llegado
son aplicables a este coeficiente de sustentación. Se sugiere el empleo del teorema de Pi de Buckingham.
de 80 km/h choca contra una pancarta de señalizacrón de 2,0 m por
2,5 m incidiendo normalmente a su superficie. Para una lectura barométrica normal, ¿cuál es la
fuerza que actúa contra la señal ? (w : 1,200 kg/m'.)
25. Un viento de una velocidad
Solución:
Para un chorro de fluido. de peQueña sección transversal. que incide sobre una placa en reposo de grandes
dimensiones, se ha visto que la fuerza ejercida por el fluido es
(Fuerza),
: L(MV,): (nls)lqV)V,:
pAVl
La placa en reposo que se considera en este problema afecta a una gran cantidad de aire. Su cantidad de
movimiento no se reduce a cero en la dirección X como sucedia en el caso del chorro de agua. Los ensayos
realizados con placas que se mueven a través de fluidos a diferentes ve'locidades muestran que el coeficiente de
resistencia varía con la relación de longitud a anchura y que su valor es prácticamente constante por encima de
números de Reynolds iguales a 1000. (Véase Diagrama.F del Apéndice.) Es indiferente que el objeto se mueva
a través de un fluido en reposo o sea el fluido el que se mueva alrededor del objeto en reposo; los coeficientes
de resistencia y las resistencias totales son iguales en ambos casos. La velocidad relativa es la magnitud significativa.
El coeficiente (Cr)
se emplea en
la siguiente ecuación: Fuerza
Esta ecuación se escribe a veces para incluir
tucrza F
utilizando Co
26.
:
120. obtenido en elDiagrama
F: C",AT'
la altura de velocidad. en la
siguiente forma:
t/2
: Coue;;
F.
Fuerza
F r.zorlQltsÉ91]9I4I
''-"' g.rJ "-'
2
:
181 kg.
Una placa plana de 1,2 m por 1,2 m se mueve a una velocidad de 6,5 m/seg en dirección normal
a su plano. Determinar la resistencia que se opone al movimiento (a) cuando se mueve a través
del aire a20" C y presión atmosférica normal y (ó) cuando lo hace a través de agua a 15'C'
Solución:
(a)
(b)
Del Diagrama F, para longitud/anchura
- l, Co:
l'16.
Resistencia
: CopA+ - t rorfflrr.z LrPy:4.3
Resistencia
-
CoPA
v2:
t
l.l6(102)(1.2
/ t2;:{6.5
t2
kg.
1600 kg.
de cobre de gran longitud y l2 mm de diámetro está tensado y expuesto a un viento de
27,0 mfseg, que incide normalmente al eje del hilo. Calcular la resistencia por metro de longitud.
27. Un hilo
Solución:
Para aire a 20" C la Tabla
I da p :
RE:-:
Del Diagrama F,
Resistencia
28.
Cp:
0,1224 UTM/m3 y v
,/d
2'7x12x10-3
v
1.488
:
1,488
x lO-s m2/seg.
Entonces,
los:21.800
1,30. De aquí,
: CopA{ :
/.L
r,roto.,
224)(1
- 0.0t29= :
0.696 kg por metro de longitud
Una placa plana de 0,9 m por 1,2 m se mueve a una velocidad de 12mlseg a través de aire en reposo,
formándo un ángulo de 12" con la horizontal. Utilizando un coeficiente de resistencia de
-C
:
0,11 y un coeficiente de sustentación de C, : 0,72, determinar (a) \a fuerza resultante que
D
ejérce el aire sobre la placa, (b)lafuerza debida al rozamiento y (c) la potencia, en CV, necesaria
para manrener el movimiento. (utilizaf u : 1.200 kg m3.)
cAP.
111
FUERzAS DESARRoLLADAS PoR Los FLUIDOS EN MOVIMIENTO
Solución:
lal
ComDonente normal
Resistencia
: CréV(
o/
1.200 tl2f :
-
' 0.17( 9,8Xl.08F-2
Sustentación
I
1.62 kc.
Sustentación
l
: Cr(Ve(
o/
+
Resistencia
V
6.85 kc.
=
12 mlseg
Componente de rozamiento
Con referencia a la Fig. ll-13, la resultante de las componentes de resistencia y sustentación será
: \reEf-l
6,8f :
l,i
I
t2f :
: 0.72(1.200
9¡ )fl.08)-J-
R
209
Fig. l1-13
7,02 kg, que actúa sobre la placa formando un ángulo 0,
:
zrc tg (6,8511,62)
:
'16"42' co¡ la horizontal.
(,b)
La resultante puede descomponerse también en una componente normal a la placa y una tangencial o de
rozamiento (dibujadas a trazos en la figura). Del triángulo vectorial,
componente del rozamiento: R cos (e,
(c)
29.
Potencia (CV)
:
(fuerza en dirección del movimiento
x
+ D):
(7,02)(0,0227):0,16 kg.
velocidad)|ls
:
(1,62
x
12)175
:0,259 CV
Si un avión pesa 1800 kg y la superficie de sus alas es de 28 m2 , ¿qué ángulo de ataque han de formar las alas con la horizontal a una velocidad de 160 km/h? Suponer que el coeficiente de sustentación varía linealmente de 0,35 a 0" hasta 0,80 a 6'y utilizar para el aire w: 1,200 kg/-t.
Solución:
Para el equilibrio en dirección vertical,
v' ,
_
Peso: C¿wA
--'-^-g
)-
1800:
Ey:
0. Por tanto,
sustentación
x 1000/3600)'?'
1.200X28)l:::--i'
)o
(160
C¿(
-
peso
:
0, es decir,
CL:0.53
Por interpolación entre 0" y ó', ángulo de ataqve :2,4".
30.
¿Qué superficie de alas se necesita para soportar un avión de 2300 kg, cuando vuela a una velocidad de 28 m/seg con un dngulo de ataque de 5"? Utilizar los coeficientes dados en el Problema29.
Solución:
Por los datos del problema anterior, o bien de una curva,
Peso
:
sustentación,
Ct:0,725
2300 :0,725(1,20019,8)A(2U,12,
para 5". Como en el Problema 29,
A
:
66,16 m2
31. Un perfil de ala de 40 m2 de área y con un ángulo de ataque de 6o se mueve a una velocidad de
, 25 rnlseg. Si el coeficiente de resistencia varía linealmente de 0,040 a 4' hasta 0,120 a 14', ¿qué po-
tencia se requiere para mantener dicha velocidad en aire a 5" C y 0,90 kglcm2 de presión absoluta?
Solución:
*:L--o'9oxloa
RT zffil:
l'105 kglm3' Para el aire
Para un ángulo de ataque de 6',-por interpolación, CD
Resistencia
Potencia (CV)
:
:
:
0,056.
CopA V'12 :0,056(1,105/9,8)(40)(25)212
(79 küQs mlseg)175 :26,3 CV
:
79 kc
2t0
32.
FUERZAS DESARR.OLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
1l
En el problema precedente, para un coeficiente de sustentación de 0,70 y una cuerda de 1,50 m de
longitud, determinar (a) la sustentación y (ó) los números de Reynolds y Mach.
Solución:
(a)
Sustentación
(b) La longitud
Se
Ft
:
PA V212
Ct
:
:
0,70(1,105/gX40)(2r'z 12
985 kg.
característica en el número de Reynolds es la longitud de la cuerda. Así,
u
tt,77 x l0-óX9,8)
^,:'2:
=:r+ll9
recordará que la viscosidad absoluta no varia con la
:
2 386 400
presión.
NM
33.
[cAP.
:
v I J El p
:
vl
J
ksRr
:
2sl,re,qg,B)ee,3\nq
: 0,075
Un perfil de ala de 25 m2 de área se mueve a una velocidad de 25,0 m/seg. Si la potencia requeridapan mantener el movimiento es de 14,0 CV, ¿cuál es el ángulo de ataque eenpleado si las variaciones del coeficiente de resistencia son las dadas en el Problema 3l? Utilizar. como en el Problema 31, w : 1,105 kg/m3.
Soluciút:
14,0 CV
Fuerza
'
:
(fuena)(25,0
: CopAV2l2,
42,0
:
mlseü175,
fuerza
:
42,0 kg
CoÍ,10519,8)(25)(25)'112, Cp
-
0,0477
Mediante los datos que relacionan el ángulo de ataque con C¡, por interpolación, sc obtiene como ángulo
de ataque 5,0'.
34.
Un furgón tiene 50 m2 de área de uno de sus lados. Calcular lafuerza resultante sobre dicho l¡do
del furgón cuando el viento está soplando a una velocidad de 16 km/h normal al área lateral del
furgón (a) si el furgón está en reposo y (á) cuando se mueve a una velocidad de 45 km/h normal
a la dirección del viento. En (a) utilizar C¿ : 1,30, y en (,b) Co - 0,25 y C¿ : 0,ó0.
(p
:0,1245 UTM/m3.)
(o)
(b)
Fig. ll-14
Solución:
(a)
(b)
tl área: Co@12)AV2. I'sí,
Fr¡erza resultante : 1,30(0,1245/2X50X16.000
Fuerza que actúa normal
1360q2
:
80 kg normal
¡t
árca
Es necesario calcular la veloci&¿d relativa del viento respecto del furgón. Por compdción vectorial,
Vvie¡¡o
La Fig. ll-14(a) indica
eS
+
/vienrc¡rurgo'n
V f"rgu'n
reiación vectorial, es decir,
OB
:
OA ++ AB
:
45,Q-+- V,,,
: J@5F + OÚ:
: frc t6 06145): 19,6".
Por tanto, la velocidad ¿fr?iva
abajo, formando $h ángul.o 0
:
47,8 krn/h, dirigrda hacia la
dodr y haciC
cAP.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
111
211
La componente de la resultante, perpendicular a la velocidad relativa del viento respecto del furgón
:
:
Susrentación
C
"(p
l2)AV,
:
0,60(0,
I
2
4s l2)(50)(4j 900
l36oq,
329 kC normal a Ia velocidad relativa
La componente de la resultante, paralela a la velocidad relativa del viento respecto del furgón,
Resis
tencia
:
:
2
C o@ I 2\ A V
:
35.
:
arc tg (3291137)
:
67
es
0,25 (0,1245 I 2)(50)(47 800I 3 60q2
137 kg paralela a
la velocidad relativa
Con referencia a la Fig. ll-14(b), la fuerza resultante
ángulo a
es
: JÉrrPTBfF :
356 kg, formando un
,4' . De aquí, el ángulo con el eje longitudinal (eje X) será 19,6
+
67
,4
:
87 ,0"
lJna cometa pesa 1,10 kg y tiene un área de 0,75 m2.
La fuerza de tracción en el hilo de sujeción de la cometa
es de 3,00 kg cuando dicho hilo forma un ángulo con la
horizontal de 45". Para un viento de 32 km/h, ¿cuáles
son los coeficientes de sustentación y de resistencia si
la cometa forma con la horizontal un ángulo de g.?
Considerar la cometa como una placa plana y üut," :
1,205 kglm3.
Solución:
En la Fig. 11-15 se muestran las fuerzas que actúan sobre
la cometa, considerada como un cuerpo libre. Las componentes
de fa fuerza de tracción sob¡e el hilo son iguales a 2.12 ks..
Fig.
EX: 0, resistencia : 2,12 kg.
De Ef : 0,
sustentación : 2,12 + l,l0 : 3,22kg.
:
Resisrencia
CopAV212, 2,12 : CD0,205/9,8X0,75x32.0001360u212,
Sustentación : C úAV2 12,
3,22 : C 10,205/9,8X0,75X32.000 13600\2 12,
ll-r5
De
cD
:
C¿
0,58.
:
0,88'
36. Un hombre
que pesa 77 kg se lanza desde un avión con un paracaídas de 5,50 m de diámetro. Suponiendo que el coeficiente de resistencia es igual a 1,00 y despreciando el peso del paracaídas,
¿cuál será la velocidad límite de descenso?
Solución:
Las fuerzas que actúan sobre el paracaídas son el peso del hombre, dirigida hacia abajo, y la resistencia,
dirigida hacia arriba:
Para el equilibrio,
W
37.
Il:0
(para velocidad de descenso constanret.
: CopAV2l2, jj :
r,0O(1,20519,8)(n2,752)V212, V
:7,3
mlseg
Una bola de acero de 3 mm de diámetro y peso específico 7,81 glcm3 cae a través de una masa de
aceite de densidad relativa 0,908 y viscosidad cinemática 1,46 x 10-a m2/seg. ¿Cuál es la velocidad límite alcanzada por la bola?
Solución:
Las fuerzas que actúan sobre la bola de acero son: el peso de la misma, dirigida hacia abajo;el empuje hidrostático, dirigida hacia arriba, y la resistencia, dirigida hacia arriba. Cuando se alcance la velocidad constante.
>,Y : 0, y transponiendo términos,
0""'"i'ff;::l,
o
-T:ff'l*x','!'"3,;u'i2istencia
Utilizando kg/cm3 x cm3
:
peso,
4
;z(0.15)r{0.00787
o q08
- -
x 1000, .0.908 x 1000
(Dr
^
10--,:
0,003
-n}_.YY,"f?fZ
"V2
.
l
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN
2I2
Suponiendo un valor de
Se comprueba ahora el
calcula el número de Reynolds y se entra en el Diagrama
lt
V2
: 0,30lCD: 0,100 Y
y
Se repiten los cálculos
11
de 3,00 (véase Diagrama .F, esferas)
Vd:
'-:
:
RE
[CAP.
c,
valor supuesto para CD,
x
0.31ó
se
ffi
se comprueba, para
:0,3017,0:0,04i8, v:0,207,
EnsaYando Co : 8,5,
:
0,3018,5:
:
Por tanto, la velocidad límite
0,0353,
V
y
despejando,
0,316 m/seg
6.0 (aumenta Co)
Co:'7,0,
Rr,:4,22, Co:8,1
v2
V2
V:
: 6.5 y Co:
0-003
MOVIMIENTO
: 0,188'
RE
: 3,86, Co:
(aumenta Cr)
8,5 (correcto)
0,19 m/seg.
Cuando el número de Reynolds es menor de 0,60, la ecuación para determinar la resistencia'puede escribirla forma
se en
C Dp AV2 12
:
Como ¡r
:
) p A V2 12 :
(24 I R
(24vI Vd)p (nd2 I 4)V2 12.
pv, resistencia: 3nPdV.
38. Una esfera de plomo de 25 mm de diámetro y peso específico
11.400
kg/mt desciende a través
de
una masa de aceite a una velocidad constante de 35 cm/seg. Calcular la viscosidad absoluta del
aceite si su densidad relativa es 0,93.
Solución:
:
Como en el problema precedente, al utilizar peso
(ru"
Luego (11.400
-
0,93
x
-
ru,)(volumen)
:
1000Xaz/3)(0,0125)3
CD:
Del Diagrama F, Para
30,0, R¡
:
Co(0,93
0'85
kg/m3
:
x
x
m3,
CDPAV212
1000/9,8)z(0,0125)2Q35)212
Y
0,85: Vdlv: (0,35X0,025)/v, v:0'0103
Por
tanto,
tt
:
vp
:
39. IJna esfera de 13 mm de diámetro
0,0103(0,93
Y Co: 30,0'
x
1000)/9,8
:
m2lseg
0,978 kg seg/m2
asciende en una masa de aceite a la velocidad límite de 3,6 cm/seg.
y
viscosidad ab¿Cuál es el peso específico de la esfera si la densidad del aceite es 93 UTM/m3 su
soluta 0,00347 kg
seg/m2
?
Solución:
Para la velocidad límite, constante,
11:
0y
empuje hidrostático
(nl3)(0,0r3 l2)3 (93
x
9,8
(911
-
-
peso
ru,)
ru")
-
resistencia
:
0
: C¡(93)z(0,0 13 l2)2 (0,$q2 P
: 6,96Co
El coeficiente de resistencia puede evaluarse mediante el Diagrama F y el número de Reynolds.
Número de Reynords
Ahora, del Diagrama F,
CD:3'9
:ry:q{A#4
(para esferas) y, a partit de (1)'
w"
: 9ll -
6,96
x
3,9
:
884 kglm3
:
D.53
(1)
cAP.
2t3
LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
FUERZAS DESARROLLADAS POR
111
en el
40.Paraflujoslaminares,connúmero.s.deReynoldsbajos,demostrarqueelcoeficientederesistenp"r-ál número de Reynolds (se muestra gráficamente
cia de la esfera es igual a 24 dividido
Diagrama F del APéndice)'
Solución:
La resistencra F
:
como se vio anterloffnente'
y velocidad del fluido y del diámetro d de la
para flujo laminar la iásistencia depende de la viscosidad
fera'
CopAV2 12'
Así'
Entonces,
Y
de donde a: l, b: I y c:
Fu = lo"v'cl) = c IL"vt'¿."
F' Lo To = (F" T" L-'")(Lo T-')(L"\
0--a-b
0=--Za-lblc'
I=o'
1' Por tanto' resistencia
Stokes ha demostrado matemáti-
' G'
Fo
;U.-::; Í;l!"',i: :::Iil|,:#TJffi:,'ffi.';
jando
es-
er área provectada por !nd2
v
despe-
Co.
3t¡rVcl= Crr,(l,cl")V'12
Y
=
"'
#=#
laminar de un fluido
ó de la cana lllite' para el flujo
41. Desarrollar una expresión que dé el espesor.
quepasaporunaplacadelgada,,,,po.'ie,'doquelaecuaciónquedaladistribucióndevelocidades
v(+
es ,t) =
Contorno de la caPa llmite
vv>
vv>
Fig' lr-16
Solución:
movimiento por unidad de tiempo será
^O
I
otV
-
u)u(d/
^ I)
de tiempo' es decir'
por la fuerza cortante' también en la unidad
Esta expresión es igual al impulso producido
Resistencia/unidad de anchura'
Fo =
f
r^(dr x
ll
=
^6 p(V
t
-
u)u(duxt)
2I4
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS
FLUIDOS EN
MOVIMIENTO
[CAP.
11
Sustituyendo la velocidad por su expresión
como distribución parabólica en la ecuación
ante'or
,L = ?6 p(V J"
,"' f:
G
zyV/s
-
* s,V/6,)(V)(2a/a _ u,/3,¡ds
2u/s j- u"/6,)(2u/t
-
a,/32)d.y
con el fin de obtener una útil
= ftpv,ó
(A)
expresión de ó, se tiene en cuenta q.ue
el flujo es laminar y que r0 dx
resistencia unitária diferencial dFoÉntonces, en zo : ¡t(duldy)o, er termrno
í;rl' : *!1,
:#:'::T:-1",i::J".fi:::iü';,Zl1
{rr,u
-
a2/6'z)l
,,!iflü;,;i?,{#
42'
30ur
rtul
(B)
ffJ"0,
A
o:
pV
-
^x
J" sd6 =
ó-=
r,
la
estabreciendo que ra tensión cortante
es iguar a ro
fD
de la que se obtiene
={
:
5,48
(c)
rE;
La solución, más exacta. de Blasius da 5,20
como numerador de lC).
Para un flujo laminar deducir la expresión que
dé (a) la tensión cortante en la pared
(en la superpraca) en er probrema piecedenti y (b¡'.í
de
resisten.ruio.ár cr.
"á.n.i""re
:ff",dr:,t"
(a)
}:.t'*:.ootema41'cuando-t:0,r0:2¡tvl6'Entonces,medianteer varordeó,dadoporraecuación(c)
ro=ffiñ
Experimen talmente se
=
OSAS'V
ha determinado la fórmula más exacta
ro
(b)
= o,uur,{ú
El coeficiente de resistencia local
= u,rr1@=
v ¡
cr.
se obtiene
(A)
{E;
o.Bz'v
",-"
(B)
\/E;
al igualar toA
a
laresrstencra local, es decir.
Fo -- t"A : CorpAVr/2
c,.-4pv ^,
tiii i
pv,\/E;
(c)
\/E;
verse que la resistencia total sobre una
de las caras de la placa es igual a
la suma de todas
Fo = ^t' r"@t.l) = nL O,SZfi'u(.r lzdxt g.g312¿r.,¡yey1
|
=
Jo
f'
Jo
Para la forma usuar, F¡: c¡pAV2l2.
Teniend,o en cuenta que en este caso
r : L x l,se
C
opLV'/2
=
o,s}(z)t/ pWpL
c'=1,32{if=#
v
43.
obtiene
r--;;-
(D)
. a una cornente de aire de
3 m/seg en condicio_
1,20 m por 1,20 m. Calcular (o)'lu'."rirt"ncia
su_
: en el borde de salida (arista posterior
de la placa)
Solución:
t'
::il:"t:ff:ltt"t;,tt^t:
resistencia por <rozamiento superficiar>
depende der número de Reynolds, es
ne-
R¿:
VLlv
:
3(1,2)10,48
x
10-s)
:
243.000 (intervato laminar)
cA+.
¿Jl
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUTDOS EN MOVTMTENTO
215
Suponiendo que reina el flujo laminar sobre toda la placa,
coeficiente
Resistencia
. ó 5,20
, J Ru.
D
:
1.3281
$E :
1
.3281
caras): 2CDpAV2l2:
:0,0042 kg
(sobre las dos
\,8
-0OO
:
0.00269
(0,00269X1 ,20519,8)(1,2
x
1,2)(3)2
5.2011.2\
(bl
J243.000
^ ^^ ¡tv E:0.33
tcl ¡:U.JJ-V
44.
CD
(l'84
x
l0-6)103
1.2
JE.0o0:
0.00075 kg/m2.
Una placa lisa de 3,0 m por 1,2 m se mueve a través del aire (15" C) con una velocidad relativa de
l,2mlseg, manteniéndose el movimiento paralelo a su superficie y a su longitud. Calcular la resistencia en una de las caras de la placa (a) suponiendo condiciones laminares, y (á) suponiendo condiciones turbulentas sobre toda la placa. (c) Para condiciones laminares, calcular el espesor de
la capa límite en el centro de la placa y en el borde de salida.
Solución:
(")
Se calcula
Para condiciones laminares
Resistencia
(b)
:
Co
CrpAV2l2:
c,
:
¿¡ffiResistencia
(c)
,
Para régimen turbulento, con Ru
Así,
Para
x:
x
el número de Reynolds: RB: VLlv:1,2(3)lí,47
1,5
:'+
:
:
vR, -:]?9J24s.000
0,00263(0,1
<
=W:
:
10?.
2a\Q
CD:
x
0,00268 (véase también Diagrama G).
1,2)(1,2)'z12: 0,000865 kg
x
15.20)1.5
5,20x :-t:::0.0222
_.=:
J Ru, Jt22.s00
R¿:245.000 y
:
x m. Este valor del número de Reynolds
m:22,2
mm
6:ry:g:0,0315
J
45.
1,2)(1,4'z12: 0,00200 kg
122.500.
Obsérvese que el número de Reynolds se ha calculado para L
se llama número de Reynolds local. Entonces,
m,
0,865 g
0,00618 (véase también Diagrama G).
m, Rn.:1,2(1,5)lÍ,a7 x 10-s):
Para¡:3
:
[véase ecuación (12)f.
ffi
CopAV212: 0,00618(0,1245)(3
6" :
10-s) :245.000.
R",
m:31,5
mm
J24s.o0o
Una placa rectangular lisa de 1,2 m por 24 m se mueve a través de una masa de agva a 21" C en
la dirección de su longitud. La resistencia sobre la placa (ambos lados) es de 820 kg. Determinar
(a) la velocidad de la placa, (b) el espesor de la capa límite en el borde de salida y (c) la longitud x"
de la capa límite laminar si en el borde de ataque reinan las condiciones laminares.
Solución:
(")
Para la longitud de la placa y el fluido agua puede considerarse como buena la hipótesis de flujo turbulento. Del Diagrama G, se supone Co: 0,002.
Resistencia
y
: 2CopAV2l2, 820 :
v2 _0278
cD
:Y,
0,002
CDfrlz)(l,z
v:
x
24)v2
rr,B m6es
216
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
[cAP.
11
Número de Reynolds R¿: ll,8(24)/(9,8 x 10-7) :289 x 106. Por tanto, 1a capa límite es turbulenta, como se había supuesto. Haciendo una nueva aproximación,
co:
0,4s5
(log 289
x
106)2's8
:
V':
0,00186,
0.278
:
0,00186
m/seg
Al calcular de nuevo el número de Revnolds. se obtiene 298 x
-' -= = ==: 0,00184,
x 106)2's8
de aquí,
0 455
CD
-
(1og 298
V:
Y
12,3 mlseg
Este valor está dentro de la precisión esperada.
(b) El espesor de la capa límite, para flujo
ó
x
(c)
R2'161
y
0.22Q4\
ó
:0.204m
Suponiendo que el número de Reynolds crítico es 500.000, aproximadamente, es decir, el límite inferior
de la zona de transición,
R¡-
6.
0,22
turbulento, se calcula mediante la ecuación (15)
Vx^
: -----,
v
500.000
12.3x.
: :-:----.=.
9,8 x l0-
La placa de 3 m por 1,2 m del Problema 44 se
mantiene sumergida en una corriente de 1,2 m/seg
de agua a 10o C, paralelamente a su longitud. Suponiendo las condiciones laminares, en el borde
de ataque de la placa, en la capa límite, (a) determinar la posición de paso de capa límite laminar
a turbulenta, (ó) calcular el espesor de la capa
límite en el punto anterior, y (c) calcular la resistencia superficial sobre la placa.
r. :
0.04 m
______.>
-----+
*-I
Laminar
Fig.
Solución:
(a)
rurburento
I-
Número de Reynolds Rn
:
VLlv
:
1,2(3)10,31
x
10-6)
:
---]
ll-rZ
2.740.000.
Este valor del número de Reynolds indica que el flujo en la capa límite está en la zona de transición.
Suponiendo que el valor crítico del número de Reynolds es igual a 500.000, la localización del punto en que
terminan las condiciones laminares puede calcularse mediante la relación
xc
R" crítico
L R, para toda la placa
o
bien
".
: ,tffi):
0,55 m
(b) El espesor de la capa límite en este punto se evalúa mediante
ó,
: 5.2010.55)
: 5-20x--= : --:
J Ro. J500.000
0,00405 m
:
4.05 mm
lc) La resistencia superficial se calcula sumando a la resistencia producida por la zona de capa límite láminar,
que llega hasta x" (véase Fig. 1l-17), la resistencia a que da lugar la zona de capa límite turbulenta, de B a C.
Este último valor se determina calculando la resistencia como si toda la placa estuviera con capa límite turbulenta y restando a continuación la resistencia producida por la capa límite turbulenta ficticia de A a B.
(1)
Resistencia laminar, de
Resistencia
:
A a .8, sobre una de las caras
:
,. 6.55¡1'4 :
2
2 J''3?:pAr:
R"" 2 -]!4--ÍOr¡1¡.2
J500.000
CopA"
0,091 ks
cAP. 1ll
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
(2)
Resistencia turbulenta, de A a C, si las condiciones fueran turbulentas en la longitud total de la placa.
Resistencia
: cri,l(
L
(sobre una de las caras)
: 0.074 v2
fgr"oet:
(3)
2r7
0.074
Resistencia turbulenta ficticia. de
Resistencia
: Crp,q(
z
:
Resistencia
1.22
(2,40,00)0a.id(102X1'2
:
t'oto te
osr;:
0.260 kc
x 0'55)'f
A a B.
(sobre una de las caras)
0,074 V2
0.074 (to2xt.2
x
ffirnt: Tffi
total (ambas caras):2[0,091 +
(1,010
1 12
- 0,260)]:
t,682 kg
Si el número de Reynolds, para la placa entera, fuera superior a 107, habría que haber utilizado la
:cuación (13) del principio del capítulo en la parte (2) anterior.
Podria, ahora, determinarse un valor medio Cj, para la placa entera, igualando la resistencia total
anterior a la expresión que da la resistencia, como srgue.
Resistencia total
: 2c;pA+,
LZ
47.
r,682:2c;(r02)(r,2
* 3\+,
cá
:
0,00318
IJna esfera de 15 cm de diámetro está inmersa en una corriente de aire a20" C. Se midió la fuerzapara mantener la esfera en reposo dando 0,114 kg. ¿Qué velocidad tenía la corriente de aire?
Solución:
total: CopAV2l2, donde
coeficiente de resistencia global.
Como no pueden determinarse directamente ni el número de Reynolds ni Cr, se supone
Cr:
Resistencia
0. 1 14
Se carcula, ahora,
Entonces,
R,
vt : :::
0,59
:
C p(0.1231!nl0.t 5)'z (V'z /2),
: + :,.j#*+!:
fi8, v:
103.000. Det Diagram a F,
co:
R':U:
, l]-uto'tt' . : 137.500. Del Diagrama F, Co:
- v 1,488x10-s
De aquí, V2 : 10510,56 : 188, V : 13,7 m/seg (precisión satisfactoria).
se produce
1,00. Entonces,
0,5e (para esferas).
13,3 m/seg. Anticipando el resultado, se ensaya V
Determinar el aumento de presión que
tubería de transporte.
:
^ 105
V":
Co, V:l0,2mlseg
Se recalcula
48.
C¡
:
13,6 mlseg.
0,56.
al cerrar instantáneamente una válvula en una
Solución:
Sea p' la variación de presión debida al cierre de la válvula. Al aplicar la ecuación del impulso-cantidad de
movimiento, para obtener la variación de presión, se llega a
F, = lLqv " - V ,)
en la dirección x
(A)
Despreciando la influencia del rozamiento, la fuerza no equilibrada que produce el cambio en la cantidad de
movimiento del líquido de la tubería será p'A. Entonces la ecuación (l) queda
-p,A
= YfO-v,¡
(B)
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
2r8
[cAP.
ll
donde u;Aclg representa la masa de líquido que ha cambiado su cantidad de movimiento y c es la celeridad de
la onda de presión. Esta onda de presión reduce a cero la velocidad del fluido al pasar por cada una
las secciones. Así,
pt =
(c)
pcVt
l',
La ecuación (C) puede escribirse en función de la altura de presión
49.
es decir,
cV,
t-,
tt-"
de
(D)
¿Cuál es la fórmula que da la celeridad de la onda de presión producida por el cierre rápido de una
válvula en una tubería de transporte, considerando la tubería rígida (no deformable)?
Solución:
Los términos <cierre rápido> o <cierre instantáneo> significan un tiempo de cierre de la válwla cualquiera,
<2Llc. Para obtener una expresión de la celeridad c se aplicarán los principios de la energía
y de la cantidad de movimiento.
La energía cinética del agua se convierte por compresión en energía elástica. La energía cinética del agua
es MV2rl2: (wALldvll2, dorde I es el área de la sección recta de la tubería y I su longitud.
siempre que sea
El módulo de elasticidad volumétrico del agua es .EB :
Por tanto, la reducción de volumen, A volumen
:
Trabajo de compresió¡
_
(kg/m').
(vofumen)(Lp)
EB
\(uAL/ g)Vi = l,uli(ALu;h/E
lt, :
Mediante el principio de la
o
(AL)(wh)
.
EE
presión media por la reducción de volumen, es decir,
o
XIVL
_
(A)
n)
q)
V',Eu/gu¡
cantidad de movimiento (despreciando
el rozamiento), se obtiene
-whA = (wQ/s\(0-V'),
h - cV'/g
- >@.dt) - MV",
Sustituyendo en (,8), se llega a c2vl1g2
:
uthA = (w/s)(Ac)V,
(c)
V2Etgw, de la cual
" =
(D)
t/Eo/p
una expresión que dé la celeridad de una onda de presión, debida al cierre rápido de
en una tubería de transporte, considerando la tubería como deformable.
válvula
una
50. Desarrollar
Solución:
En este caso hay que considerar la elasticidad de las paredes de la tubería, en adición a las magnitudes incluidas en la solución del problema precedente.
Para la tubería, el trabajo por la tracción de las paredes de la tubería es igual al producto de la fuerza media
ejercida en las paredes de la tubería por la deformación. A partir del diagrama de cuerpo libre de la mitad de
la sección recta de la tubería, sabiendo que EI :0, 2T -- pdL: whdL. Además, la deformación unitaria
e: olE donde o : prlt : whrlt. (Yéase tensión en anillos o tubos de pared delgada en el Capítulo 2.) En esta
deducción, la altura á representa la altura de presión sobre la normal de funcionamiento causada por el cierre
rápido de la válwla.
Traba.jo
:
:
fuerza media x deformación
f,whdL(2nr)(whrltE)
Sumando este valor al de la ecuación
:
en kgm
(A) del problema anterior, se obtiene
l@A Ll flvl
que, después de sustituir h
: j(|whdL\(2nre)
:
lwh(ALwhl E )
+
whdL(2nwhrz
cVJg, por (C) del Problema 49,
I
t
E)
da
wdt
- tg)
Ea
p(I *
E
ad/Et)
cAP. l1l
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
219
51. Determinar
las celeridades de las ondas de presión que se propagan a lo largo de una tuberia rígida que contiene (a) agua a 15" C, (á) glicerina a 20" C y (c)un aceite de Dr : 0,800.'Utlli¿ar,
como. valores del módulo de elasticidad volumétrico, de la glicerina y del aceite 44.350 y
14. 100 kgf cmz, respectivamente.
Solución:
,,
,:=.t[.*Y
(a)
toz
44.350
(b)
1,262
x
104
1000/9.8
c=
(c)
52.
x
:
r47o m/ses
=
1850 m/seg
:
1310 m/seg
En el Problema 51, si los líquidos fluyeran por una tubería de 30 cm de diámetro a I,2 mlseg y fueran
frenados instantáneamente, ¿qué aumento de presión podría esperarse, suponiendo la tubería
rígida?
Solución:
Aumento de presión : pc x variación de la velocidad
(o) Aumento de presión :102(1470)(1,2 - 0): 180.000 kglm2 :18,0 kg/cm2.
(b) Aumento de presión: 129(1850X1,2) :286.000 kglm2 :28,6 kglcm2.
(c) Aumpnto de presión : 82(1310X1,2): 129.000 kglm2 : 12,9 k{cm2.
-53. Una tubería
de acero de 120 cm de diámetro y paredes de 9,5 mm de espesor transporta agua a
15' C y a una velocidad de 1,8 m/seg. Si el tramo de tubería tiene una longitud de 3000 m y
una válvula existente en el extremo de descarga
de las paredes de la tubería puede esperarse?
se
cierra en 2,50 seg, ¿qué aumento en la tensión
Solución:
La onda de presión se propagará desde la válwla hasta la embocadura de la tubería, retrocediendo de nuevo
hasta la válvula en un
Tiempo
:
2(
lonsitud de la tubería
celeridad de la onda de presión
La celeridad de la onda de presión, para una tubería deformable, viene dada por
r- = "rekslÑ)
I Pl7+(EB/E)@/t)l
-
donde las dos relaciones del denominador son adimensionales al utilizar unidades acordes.
Tomando para el acero
y tiempo :
2(30001964)
:
-E
6,22
:
2,10
x
106 kg/cm2,
c =
=
964 mlseg
seg.
Como el tiempo de cierre de la válvula es de 2,50 seg, es equivalente a un cierre instanttineo,ya que el tiempo de recorrido de ida y vuelta de la onda de presión es superior al tiempo de cierre.
Aumento de presión : pc(dv):102(964)(1,8) : 176.990 kglmt :17,70 kglcm2.
Por la fórmula que da la tensión en anillos de pared delgada,
Tensión de rracción o
-
x radio
:t'''!^\.uo :
espesor
0.95
presión
rl20 kglcm2 de
aumento
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
220
[cAP.
11
Este aumento de la tensión añadido al valor de diseño de 1130 kglcmz hace que el valor final se aproxime
al del límite elástico del acero. La duración del cierre de la válvula debería aumentarse al menos a 6,50 seg, aunque
es preferible hacerlo varias veces mayor que los 6,35 seg calculados.
Para el cierre lento de válvulas. cuando el tiempo de cierre es mayor que 2Llc, Norman R. Gibson ha sugerido un método de integración aritmética. En caso necesario, puede consultarse el volumen 83 de las <Transactions of the American Societv of Civil Ensineers)) de 1919.
54.
En una tubería de 7,5 cm que transporta glicerina a20" C se efectúa el cierre rápido de una válvula. El aumento de presión es de 7,0 kg,,cm2. ¿Cuál es el caudal probable en l/seg? Utllizar
p : 129 UTM/m3 y En: 44.350 kgicm2'
Solución:
El valor de la celeridad, igual a
: pc x variación de la velocidad
: 1290850)V, de donde V :
Aumento de presión
7,0
Por tanto, Q
5f,.
:
x
104
AV
1850 m,seg. se ha calculado ya en el Problema 51.
:
ln(0,075)2
x
0.293
x
103
:
0,293 mlseg.
1.29 llseg.
través de un conducto de ventilación de sección cuadrada de 1,5 m de lado circula aire a una
velocidad de 6,0 mi'seg y 2l' C. Si los dispositivos de control se cierran rápidamente, ¿qué fuerza
se ejercerá sobre la superficie de cierre de 1,5 m por 1,5 m?
A
Solución:
Para aire a 27" C.
o:120 UTM'mr v la celeridad
6
:
:
F:
Utilizando ahora Lp
a kgRT
: \
1.419,8)(29.31(2'73
+
27\
:
347,5 m/seg.
pcV, la fuerza
Lp x área: (pcV)A:0.120(34'1,5X6)(1,5
x 1,5):
563 kg
56. Un transmisor
de sonar opera a 2 impulsos por segundo. Si el dispositivo se mantiene en la superficie libre de agua dulce a 2' C y el eco se recibe en la mitad entre la emisión de dos impulsos, ¿qué
profundidad tiene el agua? (Se sabe que la profundidad es menor de 600 m.)
Solución:
La celeridad de la onda sonora en el agua a 2'' C
se calcula mediante
:
\a)
La distancia recorrida por la onda sonora (hasta llegar al fondo y volver a la superficie) en ] de
sea, en I seg, (la mitad entre dos impulsos) es
2 x profundidad
(b)
:
velocidad
:1430 x *
x
]
seg, o
tiempo
y .profundidad:179 m (mínimaprofundidad)
Si la profundidad excediera de 179 m, para que el eco se oiga entre dos impulsos (en su punto medio), la
onda sonora habrá viajado 3i2 de 1,2 seg, o sea, 314 seg. Entonces,
profundidad
(c,
1430 m/seg
:
+(1430)
x i:
537 m
Para profundidades mayores de 600 m se obtendría
.,
profundidad
profundidad
:
:
+(1430)
+(1430)
x i:
x] :
895 m
1253 m,
y
así sucesivamente
cAP.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
111
221
se mueve a 660 m/seg a través de aire en reposo a 38'C y l,02kglcm2 (ab). Deter(a)
de Mach, (á) el ángulo de Mach y (c) la resistencia para la forma.B del Diael
número
minar
57. Un proyectil
grama
I1, suponiendo que el diámetro es igual a 20 cm.
Solución:
ta)
celeridad
Ft sRr :
,:
Jr,4rr,8)Qnxn3 +
38)
Número de Mach
d.:
*t
¿.. ,"n1¡64
:
N,
354
-7r.r.
: V: $\54 :
:32,5'.
(b)
Angulo de Mach
(c)
Del Diagrama H, forma B, pa:a un número de Mach de 1,86,
arc
#:
El peso específico del aire será ru :
Resistencia
58.
:
CopAV2l2:
"+r:;##:
0,60(1,119319,8) x
t,tu
Co:
0,60.
t,1193 kslm3.
In(0,20)2
x
(660)212: 468 kg.
El ángulo de Mach, medido en una fotografía del proyectil moviéndose en el aire, fue de 40'. Calcular la velocidad del proyectil, para el aire en las condiciones del problema anterior. (Celeridad
c : 354 m/seg.)
Solución:
^cl3S4
Sen a: ar:
59.
**
Luego sen
OO":; y Z:550
m/seg.
¿Qué diámetro debería tener una esfera, de densidad relativa 2,50, para que en caída libre la velocidad límite fuera la velocidad de propagación del sonido? lJtilizar p : 0,1245 UTM/m3.
Solución:
Para la caída libre de un cuerpo, cuando se alcance la velocidad límite, resistencia
Diagrama H, CD: 0,80.
Para el aire
Como
a
: J-ksRT: IAP,U@3)(2'73 + 15) : 340 m/seg.
: resistencia
(2,50 x 100Q(nl3)(dl\3 : 0,80(0,124s)(rcd'zl4)(340)212, d:
-
15" C. c
Peso
t,45 m
peso
:
0 y,
del
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
222
[cAP.
11
Problemas propuestos
fl.
Demostrar que el coeficiente de corrección
61.
Demostrar que el coeficiente de corrección p de la cantidad de movimiento en el Problema72 del Capítulo 7 es 1,02.
62.
Determinar el coeficiente de corrección p dela cantidad de movimiento para el Problema 79 del Capítulo 6.
So/.
B de
la cantidad de movimiento en el Problema74 de| Capítulo 6 es 1,20.
(K +7)'z(K + 2)'z
2(2K+1)(2K+2)
63.
Demostrar que el coeficiente de corrección p de la cantidad de movimiento en el Problema 59 del Capítulo 7 es 1,L2.
g.
Un chorro de aceite de 5 cm de diámetro choca contra una placa plana mantenida en posición normal al eje del
chorro. Para una velocidad del chorro de 25 m/seg, calcular lafiterza ejercida sobre la placa por el aceite, de denSol. 106 kg
sidad relativa 0,85.
65.
En el Problema ó4, si la placa se mueve en la misma dirección y sentido que el chorro a una velocidad de 9 m/seg,
¿qué fuerza ejercerá el aceite sobre la placa? Si la velocidad de 9 m/seg tiene sentido opuesto al del chorro, ¿qué
valor tendría la fierza anterior? So/. 44 kg, L91 kg
66.
Un chorro de agua de 5 cm de diámetro ejerce una fuerza de 270 kg sobre una placa plana mantenida normalSol. 72 llseg
mente a la trayectoria del chorro. ¿Cuál es el caudal de desagüe del chorro?
67.
Un chorro de agua con un caudal de 35 l/seg incide sobre una placa plana mantenida normalmente al eje del chorro.
Si la fuerza ejercida sobre la placa es de 75 kg, calcular el diámetro del chorro.
So/. 4,6 cm
68.
Un chorro de agua de 5 cm de diámetro incide sobre un álabe curvo en reposo que desvía el chorro 135'respecto de su dirección y sentido originales. Despreciando el rozamiento a lo largo del álabe, determinar la fuerza reSo/. 290 kg, 0*: -22,5'
sultante ejercida sobre el álabe si la velocidad del chorro es de 28 m/seg,
69.
Si en el problema precedente el álabe se mueve en la misma dirección y sentido contrario al del chorro de agua,
a una velocidad de 6 m/seg, ¿cuál es la fixrza ejercida sobre el álabe y cuál la potencia requerida para mantener
el movimiento? Sol. 428. 31.6 CV
70. Un álabe fijo desvía 180" un chorro de agua de 5 cm de diámetro y que se mueve a una velocidad de 35 m/seg. ¿Qué
fuerza ejerce el álabe sobre el agua?
Sol. 492 kg
71. Una tubería horizontal de 30 cm de diámetro se contrae a 15 crn de diámetro. Si el caudal es de 130 l/seg de un
aceite de densidad relativa 0,88 y la presión en la tubería de diámetro menor es de2,70kglcm2, ¿cuiil es la fue¡za resultante ejercida sobre la contracción si se desprecia el rozamiento? Sol. 1525 kg
17
Por un codo reductor vertical (véase Fig. 1l-18) circulan
350 l/seg de un aceite, Dr : 0,85, con una presión
a la entrada del codo en A de 1,40 kglcm2. El diámetro
en ,4 es de 40 cm y en .B de 30 cm y el volumen entre A y
B de 0,10 m3. Despreciando el rozamiento, determinar
la fuerza sobre el codo.
So/. 2220 kg, 0*: -76,2
\0cmD
73. El modelo de una lancha motora es movido a 450 m/seg
mediante un chorro de agua de 25 mm de diámetro,
expulsado directamente por la popa. La velocidad del
chorro con relación al modelo es de 36 m/seg. ¿Cuál
es la fuerza motora?
Sol. 50 ke
74. Una boquilla de 5 cm de diámetro,
c,:0,97,
descarga un
Fig. rr-lE
75.
: 0,80, por la pared
depósito? So/. 35,5 kg
chorro horizontal de aceite, Dr
lateral de un depósito, bajo una carga de 12 m. ¿Qué fuerza horizontal
se
ejerce sobre el
está lleno de aire, I : 0,132 urM/m3' El tubo de llenado' de
6 mm de diámetro, se dirige hacia abajo al mismo tiempo que se abre. Si el caudal con que inicialmente se vacía
es de 8 l/seg, ¿qué valor tiene la aceleración instantánea si se desprecia el rozamiento? Sol. 19,5 m/seg2
El globo de un niño, de peso 0,10 kg'
cAP.
76.
77.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
111
Una lancha accionada por un dispositivo de propulsión a choro se mueve hacia aguas arriba en un río con una
velocidad absoluta de 8,ó0 m/seg. La corriente del río es de 2,30 m/seg. El chorro de agua que arroja el dispositivo tiene una velocidad de 18,0 m/seg respecto de la lancha. Si el caudal del chorro es de 1400 l/seg, ¿qué empuje desarrolla el dispositivo de propulsión?
Sol. 1015 kg
¿Qué peso sustentará un ala de avión de 50 m2 con un ángulo de ataque de
lizar
7E.
223
¿rA
C":
0,65
y aire a 15' C.
Sol.
4'y
una velocidad de 30 m/seg? Uti-
1830 kg
qué velocidad vuela un avión que pesa 2700 kg si la superficie de sus alas es de 50 m2 y el ángulo de ataque
So/. 31,0 m/seg
C¡,: 0,90.
8"? Utilizar
79. ¿Qué superflcie de ala debe tener un avión que pesa 900 kg para que pueda aterrizar a una velocidad de 56 km/h?
Sol. 39,7 m2
Utilizar el valor máximo de C" : 1,5¡.
80.
Si la resistencia sobre un ala de avión de 30 m2 de superficie es de 310 kg, ¿a qué velocidad debe moverse el per: 0,05.
Sol. 58 m/seg
fil con un ángulo de ataque de 7"? Utilizar C¡
81.
82.
Sobre el plano de úna señal de tráfico de 3,60 m por 0,60 m incide el viento a una velocidad de 46 km/h y con
un ángulo de 8'. Utilizando los valores CL:0,52y Co:0,09, calcular (a)lafuerza ejercida sobre la señal perpendicularmente a la dirección del viento y (b) la fuerza ejercida paralelamente a la dirección del viento. SupoSol. 11,5 kg, 2,0 kg
ner aire normal a 15' C.
Demostrar que para un ángulo de ataque dado la resistencia sobre un perfil de ala es la misma para cualquier al-
titud. (Para un ángulo de ataque determinado, Co no varia con la altitud.)
83.
1,00 m de alargamiento (longitud) y 10 cm de cuerda se ensaya en el túnel aerodinámico con un ángulo de ataque constante. El aire a presión normal y 27" C circula a 100 km/h. La sustentación y resistencia medidas son, respectivamente, 2,80 kg y 0,23 kg. Determinar los coeficientes de sustentación
y reslstencra.
Sol. 0,605, 0,050
Un modelo de ala de avión de
84. Calcular el número de Mach pa:,a (a) un avión que se mueve a una velocidad de 480 km/h, (á) un cohete que va
a 3840 km/h y (c) un proyectil cuya vglocidad es de 1920 km/h. Los tres se mueven a través de aire normal a 20' C.
Sol. 0,388, 3,106, 1,553
85.
Un motor turborreactor toma por el difusor de entrada 20kglseg de aire cuando
se mueve a una velocidad de
gases es de 750 m/seg,
2I0 mlseg. Si el empuje desarrollado es de 1220 kg cuando la velocidad de eyección de los
Sol. 1,28 kglseg
¿cual es el peso del combustible consumido por segundo?
86.
Por el conducto de entrada de un motor a reacción penetra el aire a la presión atmosféricd y a una velocidad de
150 m/seg. El combustible se quema en el motor arazórt de I parte por 50 partes de aire entrante en peso. EIátea
de la sección de entrada es de 1550 cm2 y la densidad del aire 0,126 UTM/m3. Si la velocidad de eyección de los
Sol. 4045 kg
gases es de 1500 m/seg y la presión la atmosférica, ¿qué empuje desarrolla el motor?
87.
Un automóvil tiene un área proyectada de 3,20 m2 y
27" C. Si Co
88.
89.
se mueve a una velocidad de 80 km/h en aire en reposo a
0,45, ¿qué potencia se consume para vencer la resistencia? Sol. 12,6 CV
Un tren de 150 m de longitud se mueve a través de aire normal a 15' C a una velocidad de 120 km/h. Se consideran los 1500 m2 de superficie del tren como si pertenecieran a una placa plana. Para una capa límite turbulenSol. 187 kg
ta desde el borde de ataque, ¿cuál es la resistencia superficial debida a la fricción?
se mueve a 50 km,lh a través de agua a 15" C (paralelamenSol. C o : 0,002
coeficiente de resistencia si la resistencia superficial es de 165 kg?
Un cilindro de 60 cm de diámetro y 4,5 m de longitud
te a su
90.
:
longitud). ¿Cuál
es el
Calcular la resistencia superflcial debida al rozamiento sobre una placa plana de 30 cm de anchura y 90 cm de lon-
gitud, colocada longitudinalmente (a) en una corriente de agua a 21" C que fluye a una velocidad de 30 cm/seg
y (ó) en una corriente de un fuel-oil pesado a2l" C y una velocidad de 30 cm/seg.
91. Un globo
0.00ó4 kg, 0.0696 kg
de 1,20 m de diámetro, que pesa 1,80 kg, es&i sometido a un empuje hidrostático medio de 2,25 kg.
p:0,120 UTM/n3 y v: 1,58 x 10-s m2fseg, evaluar la velocidad con que ascenderá.
6,07 m/seg
Utilizando
So/.
Sol.
224
92.
FUERZAS DESARROLLADAS POR LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
Calcular la velocidad límite a que caerá un grano de granizo de 13 mm de diámetro si la tempetatura del aire
igual a 4,5' C y la densidad relativa del granizo 0,90.
So/. 16,5 m/seg
93.
Un objeto que tiene un área proyectada de 0,60 m2
94.
Un cuerpo
11
es
se mueve a una velocidad de 50 km/h. Si el coeficiente de
resistencia es de 0,30r calcular la resistencia al moverse a través de agua a 15" C y a través de aire normal a
15' C.
Sol. 1770 kg, 2,16 kg
se mueve a través de aire normal a 15" C a una velocidad de 80 km,/tr y para mantener esta velocidad se requiere una potencia de 5,5 CV. Si el área proyectada es de 1,20 m2, determinar el coeficiente de resis-
tencia.
95.
[cAP.
Sol.
0,503
Una placa rectangular lisa de 0,60 m de anchura por 24,0 m de longitud se mueve a una velocidad de 12,0 m/seg
en la dirección de su longitud a través de una masa de aceite. Calcular la resistencia sobre la placa y el espesor
de la capa límite en el borde de salida. ¿Sobre qué longitud de la placa se mañtiene la capa límite laminar? Utilizar la viscosidad cinemática : 1,49 x 10-s m2/seg y ru : 850 kg/m3
Sol. 471 kg,0,321 m,0,622 m
96. Suponiendo rígida una tubería de acero de 60 cm, ¿qué aumento de presión tiene lugar.cuando se frena instantáneamente un flujo de 560 l/seg de aceite, de densidad relativa 0,85 y módulo de elasticidad volumétrico
17.500 kglcm2?
Sol. 24,4 kglcm2
97. Si la tubería del Problema 96 tiene 2400 m de longitud, ¿qué tiempo debe durar la operación de cierre de una
válvula para evitar el golpe de ariete?
Sol. Más de 3,38 seg
98.
y 2400 m de longitud se ha diseñado para una tensión de trabajo de
1050 kg/cm2, bajo una presión estática máxima de 325 m de agua, ¿cuál será el aumento de tensión en las paredes de la tubería por el cierre instantáneo de una válvula que frena un flujo de 840 l/seg? (En
21.000 kglcm2.)
Si una tubería de 60 cm de diámetro
:
Sol,
33,90 kglcm2
99. Calcular el ángulo de Mach para una bala que lleva una velocidad de 510 m/seg a través del aire a 1,033 kglcm2
y 15' C.
Sol. 41'51'
100.
¿Cuál es el valor de la resistencia de un proyectil (forma A, Diagrama I/) de 100 mm de calibre cuando lleva una
velocidad de 570 m/seg a través del aire a l0' C y 1,033 kglcm2?
Sol. 84,3 kg
Capitulo
12
Maquinaria hidráulica
MAQUINARIA HIDRAULICA
Se dan aquí unas consideraciones sobre los principios fundamentales en que se basa el diseño de
bombas, soplantes, turbinas y hélices. Las bases esenciales son los principios del impulso-cantidad de
movimiento (Capítulo 11)y del vórtice forzado (Capítulo 4), y las leyes de semejanza (Capítulo 5). Las
modernas turbinas hidráulicas y bombas centrífugas son máquinas de gran rendimiento con pocas diferencias en sus características. Para cada diseño hay una relación definida entre la velocidad de giro N,
el gasto o caudal Q, \a altura de carga ^É1, el diámetro D del rodete y la potencia P.
EN EL CASO DE RODETES, el par y la potencia producida vienen definidos por
Par T en mkg
y
Potencia P en
: YP (Vrr,
c'
mkg/s"g:
cos a2
+ (Vru, cos a, -
El desarrollo y notación se explican en el Problema
cos ar)
(t)
Vru, cos ar)
(2\
- Vrr,
1.
RUEDAS HIDRAULICAS, BOMBAS Y SOPLANTES
Estas máquinas tienen un cierto número de constantes que, comúnmente, se determinan. En el
Problema 5 se dan detalles.
l.
El factor de uelocidad @ se define como
,
A_L
Y
donde
u:
-
velocidad periférica del
radio del rodete en m
Este factor se exDresa también de
la
de uelocidad puede expresarse
D en m x
@
También
.^,
r@ m/seg.
forma
diámetro en cm
diámetro
u
\:2;H
,/2sH
x velocidad angular en radianes/seg :
,
o:W:ñ
2a. La relación
rodete
x rpm
DrN
así
velocidacl{lUpa:
,:o':' Li
en donde g se engloba en el coeficiente C*
225
s)
consrante
ci
ea)
Qb)
226
MAQUINARIA HIDRAULICA
[cAP.
12
2b. La uelocidad
unitaria se define como la velocidad de un rodete geométricamente semejante
(homólogo) que tiene un diámetro de I cm, operando bajo una altura de 1 m. Esta velocidad
unida (N, en rpm) se expresa normalmente en función de D, en cm y N en rpm. Así, pues,
r¡
l\u :
Den
(6a)
N : l{,1JE
También
3a. La relación
DtN
- J-"
--
(6b)
DL
de caudal puede expresarse de la forma
caudal Q en m3/seg
(diámetro D en m)'.,,Gltura
a en m
:
Q : caD'zyfH : coD'P:t
L¡
También
:
constante Ce
(7a)
cbD3 N
(7b)
El coeficiente C9 puede expresarse también tomando como unidad de caudal l/min.
Al tomar estos coeficientes de textos o manuales, las unidades deberán comprobarse para
no incurrir en errores.
Si Cn es igual para dos unidades homólogas, entonces C*, C, y el rendimiento serán los
mismos, salvo en el caso de fluidos muy viscosos.
3b. El caudal unitario se define
como el caudal de un rodete homólogo de 1 cm de diámetro, operando bajo una altura de 1 m. El caudal unitario Q,enm3fseg se escribe de la forma
caudal Q en m3/seg
a
(8a)
Q.: (diámetro
D en cm)2.f altura Ilenm
D?.,8
Q:
También
4a. La relación de potencia,
(54)
obtenida al emplear los valores de Q y 11 en las ecuaciones (7á) y
es
Potencia en CV P
rambién
4b.
(8b)
Q,D\",[H
:#
cPD2 H3l2
75e
,:w(clT3\), '#:
CipDsN3
(ea)
(:eb)
La potencia unitaria se define como la potencia desarrollada por un rodete homólogo de 1 cm
de diámetro, operando bajo una altura de 1 m. La potencia unitaria P, es
P":Dú",,
y
P:P,D?H3:2
u0)
VELOCIDAD ESPECIFICA
La velocidad específica $e define como la velocidad de un rodete con un diámetro tal que desarrolla 1 caballo de vapor de potencia para una altura de 1 m (véase Problema 5). La velocidad específica N"
puede expresarse de las dos siguientes formas:
1.
Para turbinas:
*, :
J
'
lJF
p@H)'rc
también Nr: N,:/P,: #
que representa la ecuación general.
de corriente aplicación en turbinas de agua.
UIa)
(1
rb)
cAP.
121
2.
MAQUTNARTA HTDRAULTCA
Para bombas
y
227
soplantes:
la ecuación
N"
!Q-, representa
'"
"s :- g¡¡¡tt+
N"ñ
Ns: N,JQ,: ffi
También
(12a\
general.
de corriente aplicación.
(12b)
RENDIMIENTO
El rendimiento se expresa como una relación adimensional. Varía con la velocidad y
potencia en el eje
Para turbinas, rendimiento total e :
potencia suministrada por el agua
rendimiento hidráulico e,
:
(r
3)
potencia utilizada
potencia suministrada por el agua
potencia a la salida
potencia a la entrada
Para bombas, rendimiento e :
el caudal.
WQH
potencia a la entrada
(r4)
CAVITACION
La cavitación causa la destrucción rápida del metal constituyente de los rodetes de las bombas y
turbinas, de los álabes, de los venturímetros y, en ocasiones, de las tuberías. Esto sucede cuando la presión del líquido se hace menor que su tensión de vapor. Se remite al lector a obras tales como Engineering
Hydraulics, Actas de la Cuarta Conferencia de Hidráulica,para una ampliación de este tema concreto.
PROPULSION POR HELICES
La propulsión por hélices ha sido durante mucho tiempo la potencia motriz de aviones y barcos.
Por otra parte, las hélices se han empleado como ventiladores y como medios para producir potencia
a partir del viento. El diseño de hélices no se aborda aquí, pero se dan las importantes expresiones en
mecánica de fluidos del empuje y potencia. Tales expresiones, desarrolladas en el Problema 23, son:
Empuie
u¡O
F:-z\Vrnut
""
o
Vrn.rur) en kg
(15 )
ó
Potencia a la salida Po
:
Potencia a la entrada P.'q :
Rendimiento e
:
{,rt^^,
ff
*Q
potencia a
-
Vrni"¡ur)
ó
¡V?'^ '
2
la
salida
potencia a la entrada
V|t,,ur,
-)
2Vrn
vtinut
(r6)
Vrn.ro, en kg/seg
I
(17 )
(18)
"¡.,
vrn
"in
LOS COEFICIENTES DE LA HELICE se refieren al empuje, al par y a la potencia. Pueden
presarse de
la forma
siguiente:
CoeÁciente de empuje
Valores altos de C,
".
producen una buena propulsión,
coeficiente
Valores altos de
C"
: gT#PE
son normales
Par T en m kg
de par C," : ----ÑT
r-
en turbinas y molinos de viento.
ex-
(re)
(20)
MAQUINARIA HIDRAULICA
228
[cAP.
potencia P en kg m/seg
pN D
Coeficiente de potencia C"
12
(21)
Este último coeficiente tiene la misma forma que en la ecuación (9á) anterior.
Estos tres coeficientes son adimensionales si
N
se expresa en revoluciones por segundo.
Problemas resueltos
1. Determinar el par y la potencia
desarro-
llados por un rodete (tal como el de una
bomba o turbina) en condiciones de flujo
permanente.
Solución:
La Fig. 12-1 representa un rodete formado
por canales curvos por los que el agua entra
por el lado de radio r, y sale por el lado de radio
rr. Las velocidades relativas del agua con respecto a un álabe se representan por u, entrando por (1 )
y por u2 saliendo por (2). La velocidad lineal del
álabe es u, en (l) y u2 en (2). Los diagramas vectoriales indican las velocidades absolutas del
agua (V, y Vt).
Para la masa elemental de agua que pasa en
dl segundos, la variación del momento de la cantidad de movimiento se origina por el momento
cinético ejercido por el rodete. Es decir,
momento de la cantidad de movimiento inicial + momento cinético
(d.M)Vt
Pero
dM:
Xrrcosa, *
Fig. l2-r
:
momento de la cantidad de movimiento final
par xdt =
(dM)V, Xrzcosa,
(wlg)Qdl. Sustituyendo y despejando el par ejercido sobre el agua, obtenemos
par
T - ?qlvrrrcosc2
g
7¡lrcoSa,)
Por consiguiente, el par ejercido por el fluido sobre el rodete
es
7 = lglv rrr cos dl - Vzl'z cos ar)
s
La potencia es igual al par por la velocidad angular. Luego
P = Ta = !!!g1V,rr
g
Puesto que ur
: r{D
Y uz
cos.ar
-
en kg m
Vzrzcos a2)o
: rra, la expresión se transforma en
p =
!!g1V,'rLLcosdL
-
Vzuzcosaz) en kg m/seg
(r)
Las expresiones desarrolladas aquí son aplicables tanto a las bombas como a las turbinas. El punto importante es que, en el desarrollo, el punto (1) estaba aguas arriba y el (2), aguas abajo.
cAP.
2.
229
MAQUINARIA HIDRAULICA
121
Establecer
la ecuación de Bernoulli para un rodete de turbina.
Solución:
Escribiendo la ecuación de Bernoulli entre los puntos (1) y (2) en la figura del Problema 1, obtenemos
(9+Pz+
\29w'/-tZ01D/
Del diagrama vectorial del Problema
1
Vi =
=
y
ul,
V3
Por otra parte, haciendo Z1 cos
at =
Además,
xLt
I/tm
uf,
+ oi *
* o?" r
2ututcos B,
l¿rtr2cos P,
üt: ety V, cos ü2 = d2t podemos
*
trl cos
kg,/kg
",\
Ér
y
az : üz I
= !!9{Vrurcosar -
calcular a partir del diagrama vectorial
uzcos P"
:
Vzüzcasa")
utQ
L
: j(urVrcosdr
- uzVzcosar)
(f)
Los términos de altura de velocidad y altura de carga de la turbina en la ecuación de Bernoulli anterior serían
entonces
u?,
+ ui I 2uror cos B,
29'29'29
2(ura,
- u"ar)
u1,
+
ts|
I
2uru,
cos
p,
Simplificando e incorporando estos términos en la ecuación de Bernoulli, se obtiene
(h- #*# * ",¡ + !z* - u, = (fi *ff*
""¡
(2)
en donde las velocidades D son valores relativos y el término en el segundo paréntesis se designa como altura de
carga creada por el vórtice forzado o altura de carga centrífuga.
3.
Una turbina gira a 100 rpm y desagua
0,810 m3/seg. La altura de presión a la
salida es 0,30 m y el rendimiento hidráulico en estas condiciones es del
78,5%. Los datos fisicos Sonr 11 :
0,45 m, rz:0,2I fll, d1 : 15", fz:
135", Ar: 0,115 rr¡'2, Az: 0,075 m2,
zt : zz. Suponiendo una pérdida de
carga de 1,20 m, determinar (a) la potencia dada a la turbina, (b\ la altura de
carga total disponible y la altura de carga
utilizada y (c) la presión a la entrada.
Solución:
(o) Antes
de sustituir en la ecuación de potencia fecuación (1) del Problema 1] deben hacerse cálculos preliminares.
230
MAQUINARIA HIDRAULICA
[cAP.
h: QIAL: 0,810/0,115 : 7,043 mlses, Vz: 0,81010,075 :
Vtcosat : 7,043 x 0,966 : 6,804 m/seg.
ut: 0,45(2n)(100/60) : 4,712 mlseg, u2: 0,21(2n\(100/60) :
Del diagrama vectorial de la Fig. l2-2, donde
az:
- y : 126"43' y
135"
(b\
Rendimiento
:
arc sen
10,800 m/seg.
2,199 mlser.
1,555/10,800: 8'17', obtenemos
Vrcosur: 10,800(-0,598): -6,458 m/seg
1000 x 0-810 Luego potencia P :---::----::-16,804(4,712)
i) x
l:
12
-
y,ó
2,199(-6,458)l
:
50,98 CV.
potencia de salida _ altura de carga utrlizada
potencia de entrada altura de carga disponible
Pero carga utilizada
:
caballos de vapor utilizados
x
75
t' :
wQ
Por consiguiente,
:
carga disponible
4,72010,785
:
50.98
tooo
x
75
t o¡t
:
4'720 m
6,013 m
(.) A fin de aplicar la ecuación (2) del problema anterior, debemos calcular las dos velocidades relativas. Refiriéndose otra vez al diasrama vectorial anterior. obtenemos
X :7,043 cos 15' :7,043(0,966)
y : 7,043 sen 15" : 7,043(0,259)
x
:
(X
,,:
- u) :6,804 -
J1t,tz+f +
4,712
:
:
:
6,804 m/seg [como en (c)]
1,824 mlseg
2,092 mlseg
:2,7i5 mlses
B,oe2Y : ,nJB
De manera análoga,
uz:
Vz cos 1,
+ u.rcos45"
La ecuación de Bernoulli
r(2.775)2 : ,
'2Sw29
de donde ptlw
4.
:9,646
:
10,800(0,990)
+ 2,199(0,707):
12,247
^,t"t
da
p,
_ T, vtn-,
_
J4.712)z
t_l
-
(2,199f
1 _
t,2oo
: rv#+
o,3oo + ol
m.
Determinar el valor de la altura de carga desarrollada por el rodete de una bomba.
az co9 Fz
(a)
(b)
Fig.12-3
CAP.
12]
HIDRAULICA
MAQUINARIA
231
Solución:
La expresión (1)del Problema 1, aplicada en la dirección del flujo en una bomba (donde rr es el radio interior, etc.), da
potencia de entrada
y la
- ?9ervrcos
a2
-
¿¿r
Vr coS ar)
cargacomunicada por el rodete se obtiene d"ividien¿o por uQ, luego
carga
H' = !
prrVrcos
0¿
-
?.{.r
I/r
coS
a,)
En muchas bombas el flujo en el punto (l) pue¿e suponerse radial y el valor del término urVrcosdl es cero.
Entonces la ecuación anterior se transforma en
carga
En la Fig. 12-3(a)y (á)
se
H' - L lurll:
v
cos
(l)
ar)
ve que V2 cos a, puede expresarse en función de
V:
CoS
ur, es decir,
a, = lLz I ?r CoS Éz
en donde hay que tener en cuenta el signo de cos
carga
ury
fr.
H, :
!2
Entonces,
6, *
,uz
cos
pr)
(p)
Por otra parte, de los triángulos vectoriales,
Vi =
u3
+ ai -
Zuzt¡zcos
(180'-
pr)
que podemos escribir de la forma
'It2'Üzcos
La ecuación (2)
se transforma
B' = !(vi-u"-
o3)
en
carsaH'=
#.#-*
La carga desarrollada por la bomba será menor que el valor dado por esta expresión ya que existen pérdidas
en el rodete y pérdidas a la salida. Luego
Carga desarrollada
H = ffi-#-
H -
pérdida en el rodete
-
pérdida en la salida
^'2
Vi
,u', , V' "2
H = (ú*rr-fl-K,fr-K"2s-
5.
Calcular para bombas y turbinas (a) el factor de velocidad $, (b)la velocidad unitaria N,, (c) el caudal unitario Q", @) la potencia unitaria P, y (e) la velocidad específica.
Solución:
(a)
Pordefinición,
ó:++.
Pero
'¿L
t/ZsH
= 16 = r'ou| =
= -#r#,
#
dondeD, eseldiámetroencm
y N la velocidad en revoluciones por minuto. Finalmente,
g :
(b) Si Dr : I
cm y
H : I m, obtenemos
rD'N ..
D'N
I
-(l¿)
6000^lrrH=s.a,6o\[H
de la ecuación (1a) anterior la velocidad unitaria N,. Así, pues,
N" = 8.460,a
que es constante para todas las ruedas de diseño semejante si
de la (1a) anterior.
N.
= ry
\/H
en
(lb)
f
se refiere
rpm
Así, pues, para rodetes homólogos, la velocidad óptima
mente a la raiz cuadrada de H.
a la velocidad óptima. También,
(2)
N varía inversamente al diámetro y directa-
232
MAQUINARIA HIDRAULICA
\c)
[cAP.
12
Para la turbina tangencial, el caudal Q puede expresarse como
e: c,e,/2gn :,n:k ran:'ffi,f,rol¡,
:
D?"8 : Q,D1" H
(factor)
(J)
Para Dt: 1 cm y H : I m, el lactor se define como caudal unitario Q,.
Para turbinas de reacción y bombas, el caudal Q puede expresarse como el producto de
(c)(,4)(componente de velocidad)
La componente de velocidad depende d,ela raiz cuadrada de H y el seno del ángulo a, (véase Fig. 12-1 del
Problema 1). Por consiguiente, el caudal Q puede escribirse en la forma de la ecuación (3) anterior.
(d)
Aplicando la expresión (3) anterior,
PotenciaP
= Y9!
15 =
*@"D"\E)H'
'75
Para D, : I cm y H : I m, la potencia -- wQ,l75 : (factor). Cuando el rendimiento se incluye en
la potencia de salida para turbinas y la potencia del agua para bombas, el factor se transforma en la poten-
cia unitaria P,. Luego,
potencrap
\e)
En la ecuación (r') podemos sustituir
D, por su valor
potencia
También
El término N,JP,
P,,N:,=H
Nr.La
(para
(5)
expresión (5) se convierte entonces en
turbinas)
(6)
D, en las ecuaciones (2) V @, obtenemos
t-t
^rzü yr
¿t
""
dado en la expresión (2) anterior, obteniendo
N.t/P"=#
o
se llama velocidad específica
Si P se sustituye por Q, eliminando
(4)
P -- P,ffn"
Ns = #
,
= p"D1H3/2
= #
QN'
H3/2
(para bombas
\
(z)
donde esta velocidad específica indica la velocidad a la que circularía 1 m3/seg bajo 1 m de carga.
Estas son las expresiones comunes para bombas y ruedas de agua. Para rodetes homólogos en los que
pueden emplearse diferentes fluidos, véanse las expresiones (9b), (IIa)y (I2a) al comienzo de este capítulo.
6.
Una turbina tangencial desarrolla 7300 CV a 200 rpm bajo una carga de 240 m con un rendimiento
(a) Si el factor de velocidad es 0,46, calcular el diámetro de la rueda, el caudal, la velocidad unitaria, el caudal unitario y la velocidad específica. (b)Paru esta turbina, ¿cuál será la velocidad, la potencia y el caudal bajo una carga de 161 m? (c) Para una turbina que tenga el mismo diseño,
¿cuál deberá ser el diámetro de la rueda para desarrollar 3850 CV bajo una carga de 180 m y cuál
será su velocidad y caudal? Suponer que el rendimiento no varía.
deI82fl.
Solución:
Teniendo en cuenta las fórmulas del Problema 5, se procede como sigue:
D'*=.
x
ó: 8460JHDt:8460!t240
200
De caballos de vapor a la salida :ry
(ar puesro
que
0'46:301,44
cm
n: --J!P-:JL:2,782
m3/seg.
\
cAP.
MAQUINARIA HIDRAULICA
121
ND,
N,: --=
JH
200
p..:
u
:
z
301.4
3891 rpm
J240
73oo
: : o.oooo216
"""""-' " cV
2'18? : o,oooooteTT m3/seg.
o" - -9
DíJ -H (30t.4)"240
*- - *J' -2ooJnoo: 18.09 rpm
1\s:
Hw @úlr
.P ,,Dl¡1ttz
-
'
-
(301.4)2(240)3t2
: *'{: 38?1/y : 163,8 rpm.
D1
301,4
Potencia P : P,D?H3t2 : 0,0000216(301,4F(161)3/2 : 4010 CV.
caudal e : Q,D?.,[H: 0,000001977(3}r,q'z\Fot : 2,279 m3/seg
(b) verocidad *
Los tres valores anteriores han podido obtenerse observando que, para la misma turbina (D, invariable), la velocidad varía como Hrt2,la potencia como H3t2 y Q como Hrt2. Por consiguiente,
.f¡¡ :
N: 200V;
(c)
De P
:
163.8
rpm.
16r--: 4010
p :7300(;40)3/2
2.27e m3lses
P,D?H3|2 obtenemos
3850
:
0,0000216(D1)'{189¡'r', de
N
donde D1:73.807 !
N...,8: 389r./4¡o :
: --:]--;;;
Dr
zt r.l_
e: e,D|,F:
7.
./l6t :
cV, Q:L782\*
Dt :
271,7 cm
192 rpm
0,000001977(73807)/rso
:
1,es8 m3/seg.
Una turbina desarrolla l44Cy girando a 100 rpm bajo una carga de 8,0 m. (¿)¿Qué potencia desarrollaría bajo una carga de 11,0 m, suponiendo el mismo caudal? (ó) ¿A qué velocidad giraría la
turbina?
Solución:
(a\
: wQHefiS, de donde wQe[|5: CYIH:14418.
Para el mismo caudal (y rendimiento), bajo la carga de 11 m, obtenemos
Potencia desarrollada
wQell5
(b)
N,
14418
: CVlll
: t09-g:
:*
o
N:
J -:
CV
:
198
8e,re rpm
j;l;;,,,,,:
: :,';,"
P
Luego
8.
:
:l2]rpm
J1e8
-
Una rueda de impulsión a la velocidad óptima produce I25 CV bajo una carga de 64 m. (a) ¿En
qué tanto por ciento se incrementariala velocidad para una carga de 88 m? (á) Suponiendo rendimientos iguales, ¿qué potencia resultaría?
Solución:
(a)
Parala misma rueda, la velocidad
es
proporcional ala ran cuadrada de la altura de carga. Entonces,
NllJn: N,lJH,
La velocidad
se incrementaría en
o
un
N,
: NrJHf,Hr: N,J8V64:
17,26%.
t,t726Nl
234
HTDRAULTCA
MAeUTNARTA
(b\
fcAp.
12
Para obtener la nueva potencia producida podemos aplicar la relación de velocidad específica.
De
N,:
u fp
ffi
,.n.'." N,,/1L N,,/p,
i6iÉ:iñ#,, de
P, : lt.rku,?:stfrr.l':
donde
20r.54
cv
El mismo valor puede obtenerse observando que, para la misma rueda, la potencia varía como
¡1ztz, datdo P2: 125(88164¡zrz - 201,54 Cv.
9.
Hallar el diámetro aproximado y la velocidad angular de una rueda Pelton con un rendimiento
\y una carga efectiva de 67 m, cuando el caudal es de 0,027 m3/seg. Suponer los valores
del 85
de$:0,46y c:0,975.
Solución:
Para una rueda de impulsión la expresión general de la potencia
p:*q-!,
75
-1000kAJ2sHtHe
75
es
::y*-¿)¡1,,,
- 0,00384d2H3t2
75x4x10.000
(1)
donded:diámetrodeboquillaencentímetrosylosvaloresdecy¿son0,975y0,85,respectivamente.
:ry75
porencia
1000
x
0'027
x
66
x 0'85:20,5
75
cv
Sustituyendo este valor en la expresión (1)anterior obtenemos d:3,12 cm. (Este mismo valor del diámetro d
puede calcularse también aplicando la ecuación q : c,efzgH del Capítulo 9.)
Ahora se establecerá la relación de diámetro de la boquilla a diámetro de la rueda. Esta relación resultará
de dividir la velocidad específica por [a velocidad unrtarra, o sea,
N" _ N/F
N"
ND, ,IFxt/n
H3/1
\/ H
-
D,H"'n
Sustituyendo el valor de P de la ecuación (,/) anterror,
N" Joñn4FWln :0.062!
'Dr
DtH
N,
Como N,
:
84600 (véase Problema 5), se tiene
Ns
Se precisa suponer
:
(8460
x 0,+6)(0,062!)
Dt
:24t,28!
un valor de N" en (2). Empleando N,
to:NJF _NJns
Hst+
$7¡sr+
Q)
Dr
:
10, tenemos
N:423
rpm
La velocidad de una rueda de impulsión debe sincronizarse con la velocidad del generador. Para un gene-
rador de 50 ciclos con 8 pares de polos, la velocidad N:60001Q x8):375 rpm; y con 7 pares,
N : 60001Q x 7) : 429 rpm. Empleando, por ejemplo, el generador de 7 pares de polos, el cálculo da
*,:Pfi:l't16
|
ro.r33
De la ecuación (2) anterior, D, : 24l,28dlNs: 241,28(3,12)110,133
Para el generádor de 7 pares de polos, N : 429 rpm.
10.
:74,29
cm.
Las turbinas de reacción en la instalación de la presa del Hoover tienen una capacidad estimada
de 116.600 CV a 180 rpm bajo una carga de 148 m. El diámetro de cada turbina es 3,35 m y el caudal es 66,5 m3/seg. Calcular el factor de velocidad, la velocidad unitaria, el caudal unitario, la potencia unitaria
y la velocidad
específica.
Solución:
Aplicando las ecuaciones @) a
(lI)
del principio de este Capítulo, obtenemos los valores siguientes:
cAP.
MAQUINARIA HIDRAULICA
121
DrN (3,35 x 100)180 :
0: 846oJH
8460t848
: Dj!
N,
(3,35
JH
11.
ÁÁ5
:4957
rpm
:
0,0000487 m3/seg
@r'z!448
: fW:
1
:
16.600
(335t(14óiz
N"Jh:
Ns:
100)180
0,586
JM8
Q": DíJH
^Q =:
P,
x
235
o'ooo577
cv
119,1
Una rueda de impulsión gira a 400 rpm bajo una carga efectiva de 60 m y desarrolla 90 CV al freno.
Para valores de { : 0,46, c, : 0,97 y rendimiento e : 83 f, determinar (a) el diámetro del
chorro, (á) el caudal en m3/seg, (c) el diámetro de la rueda y (d)laalttna de presión en la base de
la boquilla de 20 cm de diámetro.
Solución:
(a) La velocidad
del chorro
"t
u
: ,,JÑ :
0,g7J19,6
"
60
:
33,264 mlseg.
Antes debe determinarse el caudal para poder calcular el diámetro del chorro.
:
: 10000(60X0,83)/75 y e :0,137 m3/seg.
Entonces, área del chorro : Qlu : 0,00407 m2 y diámetro del chorro : 0,072 m : 7,20 cm.
Potencia en
cv
(b)
Resuelto en (a).
(c.l
,
D,N
8460JH
(d)
wQHel75, 90
o,qa: Dt(40\
8460J60
Y
Dt :75,36
cm
Carga efectiva h : (plw + V2l2g), donde p y I/ son valores medios de la presión y la velocidad medidas
en la base de la boquilla. El valor de Vro -- QlAro : 4,314 mlseg.
Lrcso
12.
desarrollada
L:',-?:60
-
ryr:
5e,05 m
Una rueda Pelton desarrolla 6000 CV al freno bajo una carga neta de I20 m a una velocidad de
: 0,98, ó : 0,46, rendimiento : S8 % y la relación diámetro del chorrodiámetro de la rueda igual a 1/9, determinat (a) el caudal requerido, (á) el diámetro de la rueda,
(c) el diámetro y el número de chorros requeridos y (d) la velocidad específica.
200 rpm. Suponiendo cu
Solución:
(a) Potencia
en CV del agua
(b) Velocidad
del chorro
:
weH175,6000f0,88
, : ,"Jzgi
:
l000el2)lj5
-- 0,9}rf\6@0)
:
Y Q:4,261
m3lseg
47,527 mlseg.
u: ó\Eü : 0,46Jtg5(W : 22,309 mlsec.
Luego u: ra : nDNl60, 22,309 : nD(200160) y
D :2,13
(c) Puesto que dlD : U9, d: 2,1319 : 0,237 m de diámetro.
Velocidad periférica
Número de chorros
(d) La velocidad
:
caudal Q
caudal por
o
4,261
chorro AchD"¡ +TE(0,ni)2@7,527)
específica para las dos boquillas es ¡/s
:
#:'f@',,.,*:
m.
:2,03.
Se emplean 2
39,0.
chorros.
MAQUINARIA HIDRAULICA
236
13.
[cAP-
12
En la planta de Pickwick de TVA las turbinas de hélice tienen una potencia de 48.000 CV a 81,8 rpm
bajo una carga de 13 m. El diámetro de desagüe es742,4 cm. Para una turbina geométricamente
semejatrte que desarrolle 36.000 CV bajo una carga de 11 m, ¿cuáles serán la velocidad y el diámetro? ¿Cuál será el porcentaje de variación del caudal?
Solución:
La velocidad
específica de turbinas geométricamente semejantes puede expresarse de
N":w
tu"ro
sffi:ry"t# v
N
:76,6
la forma
rpm
El mismo resultado puede obtenerse calculando N,, luego P, V N". Estos valores se aplican a la turbina que
a diseñar. Así, pues,
se va
D,N : 742.4(8r.8\ :
¡¡,: -:----+-
JH
16.843
Jr3
48.000
P
o:
u DlHtrz: O4rAF¡¡V:
o'oo186
-
N": N"JP,:
y
N
: \+
J
P
l6.843v6.ools6
-'726,4(lDst4
:
:
726.4
76.6 rpm. como antes
J3ó.000
Para el cálculo del diámetro de la nueva turbina, aplicando
N,:D4, Dr:y,'fH :rc3BJt
N
76,6
Jn
:729
cm.
Para hallar el porcentaje de variación del caudal Q, la relación de caudal para Pickwick y las nuevas turbinas es
ntreva
y nuevo Q:0,887Qyt"¡ o
O
D2Jftt2:
Q"r"*
a
D2tHLtz' n42AFlrf,t
un ll/" de reducción de Q.
rrcKwrcK
aproximadamente
Qnu."'
14. Un modelo
de turbina de37,5 cm desarrolla 12CY a una velocidad de 1500 rpm bajo una carga
de 7,5 m. Una turbina geométricamente semejante de 187,5 cm de diámetro frabaja con el mismo
rendimiento bajo una carga de 14,7 m. ¿Qué velocidad y potencia se alcanzarán?
Solución:
De la expresión (5a) del principio de este capítulo,
C;{
Por consiguiente,
De la
:
ND
constante para turbinas homólogas
JgH:
mo¿elop : prototipo{,
' --'
"G-n
ón (9a), C,
1500
x
37'5
:
15.
N
:420
rpm.
:
D+zD: constante. Por tanto,
PPI2
:
: prototipo¡+w'
modelo
ofittz
Ajjf7,fD (r87,r2Q4,7)3t2
expresi
y
,/cn G " 7,s ry
Js " w
P
:823,2
CY
Una turbina de reacción, de 50 cm de diámetro, cuando gira a 600 rpm, desarrolla 26I CV al freno,
siendo el caudal de 0,710 m3/seg. La altura de presión a la entrada de la turbina es de 27,50 my
la elevación de la carcasa de la turbina sobre el nivel de aguas abajo es de 1,88 m. El agua entra
en la turbina con una velocidad de 3,60 m/seg. Calcular (a)lacarga efectiva, (ó) el rendimiento,
(c)la velocidad resultante bajo una carga de67,50 m y (d)la potencia al freno y el caudal bajo la
carga de 67,50 m.
Solución:
(a) Carga
efectiva
n
: ! *E * z : 27.50,_ry+ 1.88 :
30.0 m
cAP. l2l
MAQUINARIA HIDRAULICA
(á) Potencia
:
suministrada por el agua
Rendimiento
:
potencia en el
wQHl75
eje
para ra misma turbina, la relación
(d)
Para la misma turbina, las relaciones
P
261
(50)2 (67 ,50)3t2
(50)2(30)3/2
284
* y_ -2 -son
-:
D2rHztz D?JH
P:
881
CV
284
cy.
:9r,9%.
consrante. Lueco
fr*
:
1000(0,710x30,0)l7s
261
potenciasuministrada
(c)
:
237
ffi
: tfft
900 rpm.
también constantes. Luego
o
y
N:
0,710
Q
6oYJ67,so (soF\ñ
:
1,065 m3/seg.
16. Un rodete
de una bomba de 30 cm de diámetro desagua 0,142 m3lseg cuando gira a 1200 rpm.
El ángulo p, del álabe es 160' y el área de salida A, es 0,023 m2. Suponiendo unas pérdidas
de 2,8(ull2g) v 0,38(Vll2g), calcular el rendimiento de la bomba (el área de salida se mide nor-
mal a ur).
Solución:
Las velocidades absoluta y relativa a la salida deben calcularse en primer lugar. Las velocidades u2 y t)2 son
u2
:
12@
:
Q5ll00)(2n
x
1200160): 18,850
m/seg,
Vz
=
ur
: QlAr :
:
0,14210,023
6,174 mfeg
13,218
Fig. r2-4
Vz
:
Del diagrama vectorial representado en Ia Fig. l2-4, el valor de la velocidad absoluta a la salida
es
13,218 m/seg. Del Problema 4,
carga suministrada por Ia bomba,
Carga cedida
al asta, H: H' -
H':! 29- !2g'2s* 4 - lts'!so)'
29 -(6'17q2
29 +03'21q2:
29
pérdidas
:25.r - (23ffy!*
zg
25,1 m
o.¡s(13:218)'): 16,3 m.
zg
Rendimiento e : HIH' : 16,3125,1 : 64,9%.
El valor de ,F/' puede calcularse también mediante la expresión comúnmente usada
H'
: 2(r,_ *
s
u, cos ú"
18'850
I
g
Lla.850+6.174(-0.940)l:25.1
m
17. Una bomba centrífuga proporciona un caudal de 1000 l/min contra
una carga de 15 m cuando
la velocidad es de 1500 rpm. El diámetro del rodete impulsor es de 30 cm y la potencia al freno
de 6 CV. Una bomba geométricamente semejante de 35 cm de diámetro gira arazón de 1750 rpm.
Suponiendo que los rendimientos son iguales, (a) ¿qué carga desarrollará? (á) ¿Cuánta agua bombeará y (c) ¿qué potencia al freno desarrollará?
Solución:
(a)
Las relaciones de velocidad.
DN,
para el modero y prototipo son iguales. Luego
IH
30
x 1500
Jts
35
x
/Íf
1750
f
H
:
27,789 m
MAQUINARIA HIDRAULICA
238
(b)
Las relaciones de caudal
-+son
D'JH
1000
o
(3
(c) La relación de potencia.
s)'
P
D*"
(
I?
o
emplead
y
",
:
fi
(3oF ( | 5oo
Q:1852,6 l/min
constante, de la cual
y
Q:
)
1852,6 l/min
constante. puede aplicarse para el modelo y el prototipo. Luego
P6
(3 s )s ( I 750
18.
u
1000
5o)-
:
12
iguales. Luego
(3orvfi 6y'r,Eiw
Otra relación de caudal muy
[cAP.
)3
:
(30fu
5oo
f-
y
P:
20,593 CV
Una bomba de 15 cm de diámetro suministra 5200 l/min contra una altura de carga de22,5 m cuando gira a 1750 rpm. En la Fig. 12-5 se representan las curvas altura de carga-caudal y rendimientocaudal. Para una bomba de 20 cm geométricamente semejante girando a 1450 rpm y suministrando 7200 l/min, determinar (a) la altura de carga probable desarrollada por la bomba de 20 cm.
(á) Suponiendo una curva de rendimiento semejante para la bomba de 20 cm, ¿qué potencia será
requerida para tener el caudal de 7200 l/min?
E
0,
o¡
€zo
60^
l)
o
¿oE
q)
20
20m
4000
ó000
8000
gpm
Fig. 12-5
Solución:
(a)
Las bombas homólogas tendrán idénticas características a caudales correspondientes. Se eligen varios caudales para la bomba de 15 cm y se leen las correspondientes alturas de carga. Se calculan los valores de fI
y Q de manera que pueda representarse una curva para la bomba de 20 cm. Uno de tales cálculos se detalla
a continuación y se establece una tabla de valores para cálculos semejantes.
cAP.
MAQUINARIA HIDRAULICA
121
239
Empleando el caudal dado de 5200 l/min y los 22,5 de carga, obtenemos de la relación de velocidad,
H2s: (D2slDrr)r(NrolNrr)2Htr:
De la relación de
caud,'
tl,
O
:
QOl15)2045011750)2H1s:1,221H1s:1,221(22,5):27,5 m
constante. obtenemos
DiN
Qro: (DrolD,r).(NrolN,.)Qn : Q0lrr3Í45011750)Qts : t,964Qts :
1,964(5200)
Se han obtenido los siguientes valores adicionales que han servido para representar
de la Figura
enllmin
0
2000
3200
4000
5200
6400
a l7f)
m
31,0
rpm
Bomba de 20 crn
Rendimiento
11 en
Q en
4
s4 %
29,s
28,0
26,0
22,5
17,0
64%
68 %
70%
67 %
:
a
llmin 11 en m
0
37,8
3928
6285
7856
10213
r2s70
De la curva altura de carga-caudal, para Q
(b)
10.213 Umin
la curva a trazos
12-5.
Bomba de 15 cm
Q
:
1450 rpm
Rendimiento
36,0
34,2
31,7
27,s
20,7
0
s4%
64%
68 %
70%
67 %
7200 l/min la altura de carga es 32,5 m.
El rendimiento de la bomba de 20 cm sería probablemente algo mayor que el de la bomba de 15 cm para
relaciones comparables de caudal. En este caso, la hipótesis es que las curvas de rendimiento son las mismas
para relac'iones de caudal comparables. La tabla anterior da los valores para los caudales indicados. La
figura representa Ia curva de rendimiento para la bomba de 20 cm y, para los 7200 l/min, el valor del rendimiento es de 67 \. Luego
P:
UQH
7
19.
1000[7200/(60
5e
7
x
1000)](32,s)
77,6 CV
5(0,67)
Hay que suministrar 1225 llmin contra una carga de 126 m a 3600 rpm. Suponiendo un rendimiento aceptable de la bomba a velocidades específicas del rodete impulsor comprendidas entre 6000 y
19.000 rpm cuando el caudal Q se expresa en l/min, ¿cuántas etapas de bombeo se necesitarán?
Solución:
Para
I
etapa,
.. N,tQ
'*
^/-: Htt+
3600./1225
Si se toman 3 etapas, entonces
(126f
la
t4
cargafetapa
:
:
12613
42
m
: *9W
y
:
7640.
^¡s
Comparemos este valor con el valor para 4 etapas, para el cual 11 - 12614: 31,5 m, o sea, con
,ry
s
3600^
n22s
(3É3r-
:
9480
Esta última velocidad específica parece atractiva. Sin embargo, en la práctica, el costo adicional de la bomba
de 4 etapas puede tener más importancia que el aumento del rendimiento de la unidad. Deberá realizarse un es-
tudio económico de los
costes.
20. A fin de predecir
el comportamiento de una pequeña bomba de aceite, se realizan ensayos sobre
un modelo que emplea aire. La bomba de aceite va a ser arrastrada por un motor de Il20 CY a
1800 rpm y para la bomba de aire se dispone de un motor de ll4 CV que gira a 600 rpm. Emplean-
do como densidad relativa del aceite 0,912 y como densidad del aire (constante) 1,221 kg masa/m3,
¿cuál será la dimensión del modelo?
Solución:
Aplicando la relación de potencia, obtenemos
Luego
El modelo será
10 veces
prototipo
rl20
0,e12(r000)D;(1800f
-
mayor que la bomba de aceite.
#*:
modero
114
1,227D160q3
#*
v'De D_"':
10
MAQUINARIA HIDRAULICA
240
[cAP.
12
como la representada
en la Fig. 12-6. La bomba impulsa agtra a través de una tubería de 15 cm de diámetro y 450 m de
0,025. La carga estática es 10,0 m y las pérdidas menores pueden despreciarse.
largo, con
Calcular el caudal y la altura de carga de la bomba en estas condiciones.
21. Una bomba, girando a 1750 rpm, tiene una curva altura de carga-caudal
f:
25
E
6zo
€
a¡
6
e15
€¡
E
6
Eto
f
0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035
0,&0
0,045
mt/seg
Fig. r2.6
Solución:
La pérdida de carga a través de la tubería aumenta con el caudal. Puede dibujarse una curva que represente la altura de carga total de bombeo en función del caudal (curva a trazos). Pero
altura de carga total de la bomba : carga estática * pérdidas en tubería
1o,o
+
o,o2s(
2[:
U,l) ¿g
+ lspf
¿g
1o,o
Podemos calcular esta altura de la manera siguiente:
Q: 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 m3/seg
: QIA: 0,s66 0,849 r,132 1,415 1,698 m/seg
2,758 4,903 7,662 11,033 m (Pérdida)
75V2l2g : 1,226
Altura total : 11,226 t2,758 14,903 17,662 2r,033 m
v
La Fig. 12-6 indica que cuando el caudal es 0,0265 m3/seg la altura desarrollada por la bomba será igual
a la altura total de bombeo, es decir,
18,5 m.
Para el cálculo económico de las dimensiones de la tubería, véase Capítulo 8, Problema 18.
22.
¿Cuá1 es
es
4a
la relación de potencia de una bomba y su modelo a escala 1/5 si la relación de alturas
1?
Solución:
Para bombas geométricamente semejantes,
Pb
PP
OFA
P^
ODf gnfn: DzHrit
Y
para la bomba
: pr¡r*Pura
el modelo. Entonces,
Po:2514¡trzP-:200P-
23. Desarrollar las expresiones que dan el empuje y la potencia de salida de una hélice, la velocidad a través de la
hélice
y el rendimiento de la
hélice.
Solución:
(a\
Aplicando el principio de la cantidad de movimiento, el
empuje F de la hélice varía la cantidad de moümiento de
la masa M de aire de la Fig. l2-7 . La hélice puede estar fija
en un fluido que se mueve con velocidad de aproximación Zt
o puede moverse hacia la izquierda, a velocidad Vt en el
,
fluido en reposo. Así, pues, despreciando los vórtices y el
rozamiento.
TI
I
D
P4
+Vt
cAP.
MAQUINARIA HIDRAULICA
121
Empuje,
(b) La potencia
241
= ?9$v¡ = Yglvn-V)
(1a)
v,)
= 911oD,v)(v4s
de salida es simplemente P : fierza de empuje x velocidad
wQ
=
(c) El empuje f'es
también igual a (pt
-
s
(1b)
(vt- v )v,
(2\
p)(tnD2). Por tanto, de (/á),
p3_ pz
= Lv(v,-v,)
g
(3)
Aplicando el principio del trabajo y la energía cinética, tomando como unidad
no existen pérdidas de carga,
I
Energía cinética inicial/m3
de donde
*
trabajo realizadofml
$(w/o\Vi
* (p.- p,) :
Pz-Fz
= ?(4*)
:
energa cinética final/m3
$(t'o/o)Vi
(4)
Puede obtenerse el mismo resultado aplicando la ecuación de Bernoulli entre I y
- pr). Obsérvese que (p. - pr) viene dado en kg/m2 x m/m o m kg/m3.
do (p.
Igualando (3) V
m3 y suponiendo que
se trene
2,y 3y
4 y despejan-
@),
V,l-(Y,-lLV)
V = Vtt^Vt
= V,+LV
222 =
(5)
indicando que la velocidad a través de la hélice es la media de las velocidades delante y detrás de la hélice.
El caudal de fluido Q puede expresarse en función de esta velocidad V,
e = AV n"r=
t¿l ¡l
f,nDzV
r"o'''r
= +,O,(W,
o sea,
(6a)
)
+ +ay)
(6b)
rendimiento de la hélice
-
potenciadesalida (we/g)(V^-V,)Vt
potencia de
entrada $(utQ/o\Vi-Vl
2Vt
* Vt
V¿
Vt
V
(7)
representando el denominador la variación de Ia energía cinética creada por la potencia de entrada.
24. Un modelo de hélice, de 36 cm de diámetro,
desarrolla un empuje de 22 kg a una velocidad de
3 m/seg en el agua. (a) ¿Qué empuje desarrollaría una hélice semejante de 180 cm a la misma velocidad en el agua? (b) ¿Y a la velocidad de 6 m/seg? (c) ¿Cuál sería la velocidad en la estela en (á)?
Solución:
(a) Velocidad
lineal V
: ra o varía como Dly'. Luego podemos escribir
V^ cr
Puesto que las velocidades son iguales,
36N^ !
36N.:
Vo cc 180N,
180Ne.
Empleando la expresión del coeficiente de empuje, ecuación (./9), obtenemos
MAQUINARIA HIDRAULICA
242
-{-modelo
pN'D"
[cAP.
F
22
: .j*prororrpo.
pN"D"
lRn
n(-"" N f t16/
F:
p(No)'?(180)4'
12
550 kg
'' 36'p''-"'
En la ecuación (/9) el diámetro D está en m y N en revoluciones por segundo. Sin embargo, cuando
las relaciones se igualan entre sí, en tanto se empleen las mismas unidades en cada relación (m/m, cm/cm,
rpm/rpm), se llega a una solución correcta.
(b)
En este caso Z- cc 36N-
y (2V^:
Vp)
d:180 Ne. Estos valores dan
22
y
-..L*
pNo'(180)"
.180-, " ^-,
Nrl'(36)"
9(
72N^: 180No.
Luego
F :2200 kc
^
Nota: La relación anterior velocidad lineal-velocidad angular-diámetro puede escribirse de la forma
VV
ND-para
modelo
:
prototipo
(1)
-¡r}Para
Esta relación se llama relación avance-diámetro puesto quc VIN es el recorrido de avance de la hélice
en una revolución.
(c)
La velocidad en la estela (o cambio de velocidad) puede obtenerse resolviendo la ecuación (6b) del problema anterior pan LV una vez sustituido
F
fu
=
Despejando AZ
(f,"D,)V,
+
A,V
Con los valores anteriores, tomando
25.
(6,0)'z
[de
oA,V -
(+rD,)(+^v)
y tomando la raíz real
LV: -6,0 +
g 'po, 2
+
y
coeflciente de empuje
El coeficiente
:
#*:
Luego
(^v)'+|2VL^V-#=o
se tiene
8F
rr2
v, --|
= -Vt *
(2)
D en m,
8x
2200
(1000/9,8 )z(1,8)'z
:
1,28 m/seg
Determinar el coeficiente de empuje de una hélice de
arrolla un empuje de 1,25 kg en agua dulce.
Solución:
la ecuación (1a)].
V+
:
7,28 mlseg
10 cm de diámetro que gira a 1800
rpm y des-
ffi:0'136.
es adimensional cuando -F
üene dado en kg, N en revoluciones/seg y D en m.
26. Los coeficientes de potencia y de empuje de una hélice de 2,4 m de diámetro, moviéndose hacia
adelante a 30 m/seg con una velocidad de giro de 2400 rpm, son 0,068 y 0,095, respectivamente.
(a) Determinar la potencia requerida y el empuje en aire (p : 0,t25 UTM/m3). (á) Si la relación
avance-diámetro para el rendimiento máximo es 0,70, ¿cuál es la velocidad del aire para el rendimiento máximo?
Solución:
(a) Potencia P:
Empuje
CopN3Ds en m kg/seg
F:
:
0,068 (0, 1 25 X2 400I 60)3
Q,qs
75
:
578 CV.
CrpN2Da en kg:0,095(0,125)(240016q2?,4)a: ó30 kg.
(b) Puesto que VIND : 0,70,
V :0,70(2400160)(2,4): 67,2 mlses.
cAP.
MAQUINARIA HIDRAULICA
121
243
27. Un avión vuela a 290kmlh
en aire tranquilo, w: 1,200 kg/-t.La hélice tiene 1,70 m de diámetro y la velocidad del aire a través de la hélice es de 97 m/seg. Determinar (a)la velocidad en la estela, (b) el empuje, (c) la potencia de entrada, (d)Ia potencia de salida, (e)el rendimiento y (/)la
diferencia de presión a través de la hélice.
Solución:
Aplicando las expresiones desarrolladas en el Problema 23 anterior, obtenemos, de (5),
: +(n + V),
(a)
V
(b)
Empuje
(c)
Potencia de entrada
97
r : lovo
g
:
+1290(1000/3600)
v,.)
:
+ Vnf, V+:
),pi)f(rr3,4
*Pt+ntt,to
v,ó-
- 80,6) :
(d)
P": FVl75 :884(97\175: ll43 CV.
Potencia de salida P" : FVtl75 : 884(80,6)/75 : 950 CV.
(:e)
Rendimiento e :95011143
:83,1
%
o, de la ecuación (7) del Problema
tf)
Diferencia de presión
: #t#
o, de la ecuación (4)
-
23,
:
2V,
+ Vt
V4
#rrrf:
113,4 m/seg (relativa
fuselaje).
884 kg.
2(80.6)
113.4
al
+ 80,6
e¿"
/o'
38e kslm2
del Problema 23, diferencia de presión
-
l'200(
8,8
Í8.4\2
-
t80.6)'z
z
Problemas propuestos
28.
Una rueda de impulsión trabaja bajo una carga efectiva de 190 m. El diámetro del chorro es 10 cm. Para valo@:0,45, c,:0,98, P:160 y Dz:0,85(Vt - z). Calcular la potenciaen el eje.
Sol. g72cy
res de
29.
Una rueda de impulsión desarrolla 2500 CV bajo una carga efectiva de 274 m. El diámetro de la boquilla es de
12,50 cm, c, : 0,98, ó : 0,46 y Dld : 10. calcular el rendimiento y la velocidad de giro.
So/.
77,7
%, 515 rpm
30.
Un modelo de turbina, construido a escala I : 5, se ha proyectado para desarrollar 4,25 CV al freno a una velocidad de 400 rpm bajo una carga de 1,80 m. Suponiendo rendimientos equivalentes y bajo una carga de 9 m,
¿cuáles serán la velocidad y la potencia de la turbina a escala normal?
Sol. 178,9 rpm, 1188 CV
31.
Determinar el diámetro de la rueda de impulsión y su velocidad de giro a partir de los datos siguientes: ó : 0,46,
e : 82 %, c, : 0,98, Dld : t2, car9a : 400 m y potencia cedida : 4800 CV.
Sol. 152,4 cm,510,4 rpm
32.
Una turbina de reacción girando a velocidad óptima produce 34 CV dl freno a 620 rpm bajo una carga de 30 m.
Si el rendimiento es del 70,0\y la relación de velocidad ó : 0,75, determinar (a) el diámetro de la rueda, (á) el
caudal en m3/seg, (c) la velocidad caracteristica Ns y (d) la potencia al freno y el caudal para una carga de 60 m.
Sol.
33.
56,1 cm, 0,121 m3/seg, 51,49 rpm, 96,2 CV
y
0,171 CV
En condiciones de máximo rendimiento una turbina de 125 cm de diámetro desarrolla 300 CV bajo una carga
de 4,5 m y a 95 rpm. ¿A qué velocidad giraría una turbina homóloga de 62,5 cm de diámetro si trabaja bajo una
carga de 7,5 m2 ¿Qué potencia desarrollaría? Sol. 245,3 rpm, 161,4 CV
24
MAQUINARIA HIDRAULICA
[cAP.
12
34.
Una turbina de impulsión de 150 cm de diámetro desarrolla 625 Cy al freno cuando trabaja a 360 rpm bajo una
carga de 120 m. (a) ¿Bajo qué carga trabajaría una turbina semejante a la misma velocidad a fin de desarrollar
Sol. 208,8 m, 197,9 cm
2500 CV al freno? (b)Parala carga calculada, ¿qué diámetro debería emplearse?
35.
La relación de velocidad @ de una turbina es 0,70 y la velocidad específica es 90. Determinar el diámetro de la
Sol. 104 cm
turbina para que la potencia sea 2500 CV con una carga de 100 m.
36.
37.
De un ensayo sobre una turbina se sacan los siguientes datos: potencia al freno :22,5 CY, carga:4,80 m,
N : 140 rpm, diámetro de la turbina 90 cm y q : 0,380 m3/seg. Calcular la potencia de entrada, el rendimienSol. 24,32 CV,92,5%, 0,70,96,25
to, la relación de velocidad y la velocidad específica.
Una bomba centrífuga gira a ó00 rpm. Se dan los siguientes datos: rr : 5 cm, rz : 20 cm, A, (radial\ : 75n cm2,
1802 cm2, Pr: 135", 0z : 120", flu-io radial a la entrada de los álabes. Despreciando el rozamiento, calcular las velocidades relativas a la entrada y a la salida y la potencia transmitida al agua.
Sol. 4,443 mlseg, 1,451 m/seg, 14,4 CV
A, (radial):
38.
¿Cuál será el diámetro de una bomba centrífuga que gira a 750 rpm y bombea 0,250 m3/seg contra una carga de
9 m? Emplear C"
:
39.
So/. 32 cm
39.
Una bomba centrífuga suministra 0,070 m3/seg contra una altura de carga de 7 ,50 m a 1450 rpm y requiere una
potencia de 9,0 CV. Si se reduce la velocidad a 1200 rpm, calcular el caudal, altura y potencia, suponiendo el mismo rendimiento.
So1. 0,058 m3/seg, 5,14 m, 5,1 CV
40.
Una hélice de 200 cm de diámetro gira a 1200 rpm en una corriente de aire que se mueve a 40 m/seg. Las pruebas
realizadas indican un empuje de 325 kg y una potencia absorbida de220 CY. Calcular, para una densidad del aire
Sol. 0,406, 0,516
de 0,125 UTM/m3, los coeficientes de empuje y potencia.
4t. Una hélice de 1,50 m de diámetro se mueve en agua a 9 m/seg y desarrolla un
So/. 0,937 m/seg
aumento en la velocidad de la estela?
empuje de 1600 kg. ¿Cuál es el
42.
Una hélice de 20 cm desarrolla un empuje de 7,20 kg a 140 rpm y una velocidad del agua de 3,6 m/seg. Para una
hélice semejante de un barco que se mueve a 7 ,2 mlseg, ¿qué dimensión deberá tener la hélice para que desarrolle
Sol. 500 cm, 11,2 rpm
un empuje de 18.000 kg? ¿A qué velocidad deberá girar Ia hélice?
43.
En una chimenea de ventilación un ventilador produce una velocidad de aire de 25 m/seg cuando gira a 1200 rpm.
(a) ¿Qué velocidad producirá si el ventilador gira a 1750 rpm? (á) Si un motor de 3,25 CV arrastra al ventilador
a 1200 rpm, ¿qué potencia deberá tener el motor para llevar al ventilador a 1750 rpm?
Sol. 36,458 m/seg, 10,08 CV
4.
Para suministrar 2500 m3/min de aire a un túnel de ventilación, ¿qué potencia deberá tener el motor de un ven-
tilador si las pérdidas en el túnel son 14,4 cm de agua y si el rendimiento del ventilador es del
Emplear uaire: 1,200 kglm3
45.
Sol.
68
)(?
117,65 CV
Una hélice de 3 m de diámetro se mueve a través del aire, w : l,222kglm3, a 90 m/seg. Si se suministran 1200 CV
Sol. 941,5 kg, 94,15%
a la hélice, ¿qué empuje desarrollará y cuál será el rendimiento de la hélice?
APENDICES
Tablas
y diagramas
APENDICE
246
TABLA
1
(A) PROPIEDADES APROXIMADAS
Aire
Amoniaco
Anhídrido carbónico
Metano
Nitrógeno
1 )O4'l
0,7177
1,8359
0,6664
49)
tq )
Anhídrido sulfuroso
2,1154
Temperatura
7q1
20'C, I Atm.
m-/seg
1,488
1.40
1,32
r.30
t,32
0,846
51 0
1,590
26,6
13,0
1,40
1,40
1.26
l
1,590
0,521
ALGUNAS PROPTEDADES DEL AIRE A LA PRESION ATMOSFERICA
Densidad p
Peso específico
Viscosidad
ru,
^cinemática
m-lseg
kg/m'
UTM/m3
x
v
Viscosidad dinámica p
kg seg/m2
10s5
l0
¿15
18,013
20
0,1229
,2047
1,488
18,288
30
,1642
,1270
1,600
19,008
40
0,1 1 88
0,r 150
50
0,1115
,0927
1,769
1,188
r
)q)6
)4'7
16,91'r.
16,892
17,411
10-s
211
r,320
I
S
1,688
x
t9,4r2
l0-s
19,724
x
l0-1
x l0'1
PROPIEDADES MECANICAS DEL AGUA A LA PRESION ATMOSFERICA
Viscosidad
Densidad
Peso especifico
dinámica
UTM/m3
kg/m'
kg seg/m2
0
101.96
5
10r,97
10
l)
)A
101,95
101,88
101,79
999,81
999,99
999,73
25
101,67
30
35
40
50
100.76
Temp.
10-s
7q5
,3426
0
x
1,535
0,1370
0,1319
0,r2'73
t0
(C)
'c
a
Exponente
adiabático k
gas
0,1424
-20
-
R del
m/'K
Oxígeno
(B)
Constante
kg/t'
1,1631
1,3297
.C
Viscosidad cinemática v
Peso específico ru
a 20'' C, I Atm.
Gas
DE ALGUNOS GASES
18,27
x
l0-5
13,34
|,63
10,25
101,53
998,23
997,07
995,68
101,37
994,11
1
101,18
992,25
988,07
6,69
9,12
8,17
1,'7
5,60
0,0077
x
0,0071
10-s
Presión
de vapor
kg/cm'z (ab)
kg/m
1
0,00764
0,00756
0,00751
0,00738
0,00735
0,00728
0,00718
l 5,50
999,r2
Tensión
superficial
1
0,00693
0,0056
0,0088
0,0120
0,0176
0,0239
0,0327
0,0439
0,0401
0,0780
0,1249
Módulo
de
elasticidad
volumétrico
ks.lcm2
20200
20900
21 500
22000
22400
22800
23100
23200
23300
23400
247
APENDICE
TABLA
2
DENSIDAD RELATIVA Y VISCOSIDAD CINEMATICA DE ALGUNOS LIQUIDOS
(Viscosidad cinemática
Densid.
relat.
Visc. cinem.
m2/seg
Densid.
relat.
5
1,000
1,520
0,728
10
1,000
0,999
0,998
0,997
0,995
0,993
0,991
0,990
0,980
I,308
¡ 1)\
1,142
0,721
1,007
0,718
0,897
0,804
0,727
0,7t4
.C
15
2q
25
30
35
40
50
65
0,6ó1
.C
5
10
15
20
25
30
35
40
Densid.
relat.
Visc. cinem.
m2/seg
0,763
0,696
0,655
1,476
,620
1,376
1,301
1,189
1,101
1,049
,608
,595
,584
s1')
0,984
,544
0,504
0.932
.522
0.482
Densid.
relat.
Visc. cinem.
6,01
ls?
0,865
0,861
0,857
0,855
0,852
0,849
0,84ó
12.9
0,842
0,917
72,9
52,4
39,0
29,7
0,910
0,906
0,903
0,900
0,897
0,893
m2/seg
Fuel-oil medio*
Visc. cinem.
l
10-6.¡
0,612
n s1)
n 51t
0,556
0,442
Densid.
relat.
0.91
x
Tetracloruro
de carbono
Visc. cinem.
0,710
0,706
0.703
Aceite a prueba
de polvo*
Temp.
valor de la tabla
Disolvente
comercial
Agua**
Temp.
:
m2/seg
23,r
,18,5
m2/seg
5,16
4,47
3,94
3,44
3,1
1
)11
2,39
Densid.
relat.
Visó. cinem.
m2/seg
m2/seg
471
0,905
0,900
0,896
0,893
0,890
0,886
0,883
0,875
0,86ó
0.865
260
186
122
92
7l
54,9
39,4
)57
15.4
G¡solina+
Densid.
relat.
Visc. cinem.
m2/seg
400
0,737
0,749
290
0,733
0,9t2
20r
0,909
0,90ó
0,904
156
118
89
0,729
0,725
0,710
0,ó83
0,648
0,901
0,898
Densid.
relat.
a20'C
0,862
Aceite de linaza a 30' C
Alcohol etílico a 20'C
Benceno a 20" C
Glicerina a 20" C
0,925
Aceite de castor a 20' C
Aceite ligero de máq. a 16,5'C
0,960
0,907
de Wisconsin, Madison
Viscos. cinem
Densid.
relat.
0,918
0,915
Líquido y temperatura
* Kessler y Lenz, Universidad
** ASCE Manual 25.
medio
Fuel-oil pesado*
6'l,9
I'R
Algunos otros líquidos
Turpentina
Aceite lubric¡nte
0,789
0,879
r,262
Visc. cinem,
m2/seg
t,tJ
159
1,54
0,745
662
1030
LJ I
0,72r
0,7r7
0,713
0,709
0,625
0,595
0,570
0,545
248
APENDICE
TABLA
COEFICIENTES DE FRICCION
/
3
PARA AGUA SOLAMENTE
(Intervalo de temperatura aproximado de 10. C a 21. C)
Para tuberías viejas - intervalo aproximado de e: 0,12 cm a 0,60 cm
Para tuberías usadas - intervalo aproximado de e: 0,06 cm a 0,09 cm
Para tuberías nuevas - intervalo aproximado de e: 0,015 cm a 0,03 cm
(/ : valor tabulado x 10-4)
VELOCIDAD (m/seg)
Diámetro y
tipo de tubería
Comercial vieja
l0 cm go,me:cial usada
I UDena nueva
Muy lisa
Comercial vieja
Comercial usada
t)cm _,
,
I UDena nueva
Muy lisa
Comercial vieja
Comercial usada
20 cm
Tuberia nueva
Muy lisa
25 cm
Comercial vieja
Comercial usada
Tuberia nueva
Muy lisa
Comercial vieja
30
usada
nueva
cm :o,melcial
I UDena
Muy lisa
Comercial vieja
Comercial usada
40 cm
Tuberia nueva
Muy
lisa
Comercial vieja
50
usada
cm :o,me:cial
l uDena nueva
Muy lisa
Comercial vieja
Comercial usada
oucm
_,
I UDena nueva
/)cm
Comercial vieja
Comercial usada
-,luDerla, nueva
Muy lisa
Muy
lisa
Comercial vieja
90 cm
usada
:o]e:cial
IUDerla nueva
Muy lisa
Comercial vieja
Comercial usada
120 cm
Tuberia nueva
Muy
lisa
o1
0,6
0.9
t,2
435 415 410 405
355 320 310 300
300 265 250 240
240 205 190 180
425
335
275
220
410
310
250
190
405
300
240
175
l5
1,8
400
395
290
285
)4
tan
225
170
165
395
280
220
155
.100
395
285
280
225
220
165
160
395
275
2r0
150
390
265
205
r45
420 405 400 395 390 385 380
320 300 285 280 270 265 260
265 240 225 220 2t0 205 200
205 180 165 155 150 140 135
415 405 400 395 390 385 380
315 295 280 270 265 260 255
260 230 220 210 205 200 190
200 170 160 150 r45 135 130
41.5
310
250
190
400
285
225
165
395
395
275
2I0
265
205
150
140
390.
260
200
140
385
255
195
135
390 385 380 375
266 260 255 250
240
205 200 195 190
180
140 135 130 t25
155
400
395
390 385 380 375
290
275
265 255 250 245
230
210
200 195 190 180
r70
150
135 130 I25 I20
.100
395
385 380 3?5 370
285
255 250 245 240
265
225
200
195 190 185 180
165
t40 135 125 t20 r20
400 385 380 375 370 óoD
280 255 250 245 240 230
220 195 190 185 180 I75
160 135 130 r20 115 rlo
395 385 375 370 365 360
275 255 245 240 235 230
21ó 195 185 180 t75 170
150 135 t25 t20 115 110
395 385 3?0 365 360 355
265 250 240 230 225 220
205 190 180 I75 170 165
140 I25 120 115 110 110
405
300
395
280
220
10
A<
390
270
385
2I0
260
200
150
140
385
260
200
140
380
250
190
130
6,0
375
250
190
130
375
240
9,0
370
250
185
t20
óoo
180
235
L75
120
115
375 370 365 360
250 240 235 225
190 185 I75 170
130 720 115 110
375 370 365 360
245 240 230 225
185 180 I70 165
725 115 110 105
380
250
190
725
315
240
180
120
370
240
óoD
180
I75
oc<
t20
115
370
365
235
230
365
235
775
115
360
225
I70
110
360
165
355
220
160
110
105
350
215
160
105
350
225
2I0
155
100
360 350 350
220 215 205
165 160 150
105 100 95
355 350 345
220 2t0 200
165 155 150
105 100 :,D
175
170
I-|.D
110
365
230
r75
115
360
225
r70
110
360
225
355
220
óDU
350
270
205
345
200
t70
165
150
110
160
105
155
110
100
95
355 355 350 345 340
225 220 2t0 200 195
165 160 155 150 146
110 105 100 95 90
350 350 345 340 335
21,5 2L0 200 195 190
160 155 150 745 140
105 100 95 90 90
249
APENDICE
TABLA
4
PERDIDAS DE CARGA EN ACCESORIOS
(Subíndice
l.
I:
aguas arriba
y
subíndice
2:
aguas abajo)
Accesorio
Pérdida de carga media
De depósito a tubería -conexión a ras de la pared
(pérdida a la entrada)
0,50x
-
',-r-"nnvS
29
tubería entrante
0,05r^
-conexión abocinada
r.oo#
2. De tubería a depósito (pérdida a la salida)
(V,
3. Ensanchamiento brusco
4.
-
V,l2
2g
Ensanchamiento gradual (véase Tabla 5)
(i,-t*4
5. Venturímetros, boquillas y orificios
6. Contracción brusca
K"#
(véase Tabla 5)
K#
7. Codos, accesorios, válwlas*
Algunos valores corrientes de K son:
45",
90",
Tes
codo
codo
0,35 a 0,45
0,50 a 0,75
1
Válvulas de compuerta (abierta). . . . .
Válvulas de control (abierta).
*
50r
?OO
aprox. 0,25
aprox. 3,0
Véanse manuales de hidráulica oara más detalles
250
APENDICE
TABLA
5
VALORES DE K*
Contracciones
Contracción brusc¡
y
enssnchamig¡¡os
Ensa¡ch¡miento gradual p¡ro un ángulo total del cono
d¡ld,¿
K"
4o
100
150
200
300
500
600
t,2
0,08
0,17
0,26
0,02
0,03
0,03
0,M
0,09
0,12
0,16
0,35
0,14
0,26
0,25
0,36
0,42
0,34
0,04
0,ól
0,04
0,28
0,29
0,4
0,37
0,41
0,43
0,15
0,16
0,46
0,16
0,16
0,16
0,30
0,48
0,48
0,49
0,50
0,63
0,65
0,37
0,53
0,61
0,65
0,68
1,4
1,6
1,8
2,0
2,5
3,0
4,0
5,0
*
0,45
0,46
0,06
0,07
0,07
0,07
0,08
0,08
0,08
0,08
0,04
0,04
0,04
0,04
0,16
0,23
0,31
0,31
0,31
0,50
0,57
0,?0
0,66
0,7r
0,67
0,67
0,72
0,72
Valores tomados de King, Handbook of Hydraulics, McGraw-Hill Book Company.
TABLA
6
ALGUNOS VALORES DEL COEFTCTENTE C, DE HAZEN-WTLLTAMS
Tuberíasrectasymuylisas
Tuberías de fundición lisas
v
Tuberías de fundición usadas
nuevas......
v de acero roblonado
Tuberias de alcantarillado ütrificadas. . .
...
Tuberias de fundición con alsunos años de
Tuberías de fundición en malas
nuevas
........
140
........
130
110
110
servicio
condiciones.
100
80
25r
APENDICE
TABLA
7
COEFICIENTES DE DESAGÜE PARA ORIFICIOS CIRCULARES DE ARISTA VIVA
Para agua
a 15" C
vertiendo en ai¡e
Altura
de carga
en metfos
0,625
1,250
1,875
2,500
5,00
0,647
0,635
0,629
0,627
0,619
0,615
0,609
0,607
0,605
0,604
0,603
0,61ó
0,610
0,607
0,603
0,601
0,ó00
0,600
0,599
0,598
0,598
0,598
0,597
0,597
0,59ó
0,596
0,596
0,609
0,605
0,603
0,600
0,599
0,598
0,597
0,597
0,59ó
0,596
0,596
0,596
0,595
0,595
0,595
0.594
0,603
0,601
0,ó01
0,600
0,599
0,597
0,596
0,595
0,595
0,595
0,612
4,20
0,611
4,80
6,00
7,50
9,00
12,00
15,00
0,ó10
0,609
0,608
0,607
0,ó06
0,605
0,60s
Fuente:
temperatura
Diámetro del orificio en cm
0,24
0,42
0,60
1,20
1,80
2,40
3,00
3,60
r8,00
a la misfta
0,621
0,617
0,614
0,613
t,603
0,602
0,602
0,601
0,600
0,600
0,599
0,599
0,600
0,598
0,597
0,596
0,596
0,595
0,595
0,595
0,595
0,594
0,594
0,594
0,594
0,593
F. W. Medaugh y G. D. Johnson, Civil Engr., julio 1940, pág.
10.00
0,594
0,594
0,594
0,s94
0,594
c,593
0,593
0,593
424.
252
APENDICE
TABLA
8
ALGUNOS FACTORES DE EXPANSION T PARA FLUJO COMPRESIBLE
A TRAVES DE TOBERAS Y VENTURIMETROS
Pt/Pt
0.95
0,90
0,85
0.80
075
0,70
Relación de diámetros (drld,)
¡.
0.30
0,40
1,40
1,30
1,20
0,973
0,970
0,972
0,97
0,9'70
0,967
0,968
1,40
1,30
1,20
0,944
0,940
t,40
0,968
0.50
0,60
0,70
|
0,968
0,965
0,963
0,962
0,966
0,943
0,941
0,939
0.933
0,93ó
0,915
0,910
0,914
0.902
0,959
0,956
0,935
o 911
n q)5
0,925
0,902
0,89ó
0.900
0,910
0,904
0,896
0,887
0,887
0,880
0,870
t,20
0,886
0,876
0,866
0,884
0,873
0,864
0,880
0,8ó9
0,859
0,8ó8
0,857
0,848
0,850
0,839
0,829
1,40
1,30
1,20
0,856
0,844
0,820
0,853
0.818
0,846
0,836
0.812
0,83ó
0,823
0,798
0,814
0,802
0,776
1,40
1,30
0,824
0,820
0,808
0,815
0,802
0,800
0,788
0,778
0,763
0,791
0,784
0,770
0,'745
1,30
1,20
1,40
1,30
r,20
0.935
0,812
0,'794
Para
prlpr:
0,931
0,90'7
0,841
1,00,
TABLA
Í:
0,918
0.912
1,00.
9
ALGUNOS VALORES MEDIOS DE n EMPLEADOS EN LAS FORMULAS
DE KUTTER Y MANNING Y DE m EN LA FORMULA DE BAZIN
Tipo de canal abierto
n
Cemento muy pulido, madera muy bien acepillada
Madera acepillada, acequias de duelas de madera nuevas, fundición
Tubería de alcantarillado bien vitrificada, buena mampostería,
tubería de hormigón, ordinario, madera sin acepillar, acequias
0,010
0,1
0,012
0,20
0,013
0,29
0,015
0,40
0,023
|,54
0,027
0,040
0,030
3,00
de balasto liso
Tubería de alcantarillado de arcilla ordinaria y tubería de fundición ordinaria, cemento con pulido ordinario
Canales de tierra, rectos y bien conservados
Canales de tierra dragados en condiciones ordinanas
Canales labrados en roca
Ríos en buenas condiciones
m
1
253
APENDICE
TABLA
10
VALORES DE C DE LA FORMULA DE KUTTER
Pendiente
¡
Radio hidráulico R en metros
)¿
0,06 0,09 0,12 0,18 0,24 0,30 0,45 0.60 0,75 0,90 1,20 1,80 2,40 3,00
0,017
0,020
0,025
0,030
48
38
29
24
19
t4
12
54
43
32
28
23
t7
14
60
49
36
31
2s
t9
15
68
54
42
36
29
23
18
46
40
0,010
0,012
0,015
0,017
0,020
0,025
0,030
54
42
31
26
21
15
13
60
47
35
30
25
19
15
65
52
40
34
28
21
l7
72
58
45
39
31
24
t9
0,0002
0,010
0,012
0,015
0,017
0,020
0,025
0,030
58
46
34
29
23
r7
t4
63
51
38
33
26
19
15
69
55
42
36
29
22
18
0,0004
0,010
0,017
0,020
0,025
0,030
61
48
35
30
24
18
t4
67
52
40
34
28
20
t7
1
57
43
38
30
23
l8
0,010
0,012
0,015
0,017
0,020
0,025
0,030
62
49
36
30
25
18
15
ó8
54
4t
35
28
21
t'7
0,010
0,012
0,015
0,017
0,020
0,025
0,030
63
49
3't
31
25
19
15
69
55
42
35
29
22
l7
73 79
58 63
44 49
38 42
31 34
24 26
19 2t
'13 79
59 64
45 49
38 43
31 35
24 27
19 22
0,00005
0,010
0,012
0,0t5
0,0001
0,012
0,0i s
0,00r
0,01
't
4,50
98 103 I 10 rr4 I 18 121
82 87 93 97 100 104
20
35
27
22
85 91
70 7s
55 s9
4'7 51
40 44
31 34
26 28
'77
62
49
41
35
26
22
81
66
51
44
37
28
23
8'7
72
57
49
41
33
26
92
76
60
52
45
35
29
76 80
61 6s
46 50
40 43
33 36
2s 28
20 22
'77 82
62 66
48 51
41 44
34 37
26 28
21 23
83
68
53
46
38
30
24
89
13
58
50
42
33
27
93 96 98 102 r07 109 n2 r14
'7'7 79 82 85 89 92 94 9'7
61 63 65 68 73 76 77 80
s4 55 57 61 65 67 69 72
4s 41 49 52 55 58 60 62
36 38 39 42 46 47 50 52
29 3l 33 35 38 4l 43 45
84
69
54
46
39
30
24
91 94
'14 78
59 62
5l s4
43 46
33 36
28 30
'73
77
59
oz
49
43
33
25
83
67
52
45
38
29
23
86 91
70 7s
54 59
4'7 5l
39 43
30 34
25 28
95
78
62
s4
46
36
30
83
67
52
45
38
29
24
8ó
7r
55
47
40
31
25
95
78
62
55
46
36
30
91
75
59
51
43
34
28
95
'78
62
54
46
36
30
95
79
63
55
47
3'7
30
96
80
63
56
47
38
31
9'7
80
64
56
48
38
3r
9'7
80
64
s',|
48
38
32
65
57
49
39
32
70
62
52
43
36
'76 80
67 71
58 61
47 51
41 43
83
74
64
53
46
88
78
69
57
50
98 103 108 rr2 rt4 lt7
82 8ó 91 94 96 99
65 69 74 17 79 83
51 61 65 69 7l 75
49 52 56 59 61 65
39 43 46 49 51 54
33 35 40 41 44 47
98 102 106 108
82 84 89 91
65 68 72 74
57 61 64 66
49 52 55 51
39 41 45 47
33 35 38 40
1
10 ll2
93
76
68
59
49
41
95
78
'71
6l
51
44
98 102 105 108 109 111
82 85 88 91 92 94
66 68 72 73 75 '78
58 61 63 66 67 70
49 51 54 57 58 60
39 4t 45 46 48 50
33 35 38 40 41 43
98 102 105 107 108 I l0
82 85 88 90 92 94
66 68 7r 73 '75 77
58 60 63 65 67 70
49 51 54 56 58 60
39 41 44 46 47 50
33 35 31 39 40 43
254
APENDICE
TABLA 11*
VALORES DEL FACTOR DE DESCARGA K EN Q: (Kln)ysttgrrz
PARA CANALES TRAPEZOIDALES
I :
profundidad de la corriente, á
Pendientes de los lados de
a/b
Vertical
á'1
0,01
98,7
48,7
32,0
23,8
99,1
18,8
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,11
i
anchura de
la solera del
canal)
sección del canal (horizontal
a vertical)
3,1
1:1
r{:1
2:L
2!:L
3:1
4l
99,8
100,1
100,9
101,3
50,1
50,7
??2
11
5
100,4
50,4
??R
r00,6
49,8
50,9
34,3
49,1
99,3
49,4
32,4
7)1
24,1
24,4
99,6
49,6
33,0
24,6
24,8
)\)
26,0
19,4
19,7
r9,9
20,2
25,4
20,5
)\1
l9,l
20,8
21,0
51,3
34,7
26,4
21,5
15,5
15,8
16,1
16,4
16,6
16,9
17,2
17,5
17,7
18,2
13,12
13,46
13,73
14,2
14,5
14,8
15,I
15,3
15,9
l 1,31
r1,64
1l,98
r4,0
t2,18
12,38
12,72
13,06
13,33
13,59
14,13
9,96
8,88
7,96
10,30
9,22
8,30
7,56
6,92
6,39
5,92
r0,57
10,83
l1,M
1t,37
tl,7l
12,25
12,79
9,49
8,59
7,84
9,69
8,82
8,08
7,44
ó,90
6,44
ó,03
5,67
5,36
5,07
4,82
4,38
4,01
9,96
9,03
8,28
7,6s
10,30
9,35
10,57
I1,98
r0,90
rt,t7
11,7
10,83
7,tl
7,47
7,00
6,60
6,25
5,93
5,65
5,39
4,95
4,59
4,29
4,02
3,80
3,60
3,43
3,28
10,30
9,56
8,95
8,41
7,94
7,54
7,19
6,87
6,60
6,35
s,92
5,56
5,26
5,00
4,78
4,59
4,41
4,27
4,13
4,01
3,90
0,r2
1))
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19
0,20
0,22
0,24
0,26
0,28
0,30
0,32
0,34
0,36
0,38
0,40
0,42
0,44
0,46
0,48
0,50
0,55
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,20
1,40
1,ó0
1,80
6,60
6,06
5,60
5,20
4,84
4,53
4,25
0,293
0,240
0,201
2,00
0,17
))\
4,1
la
:
5{)
7,21
6,67
6,20
5,79
5,44
5,12
3,57
5,16
4,85
4,56
4,31
3,88
1?l
3,51
2,91
2,66
2,44
3,21
4,58
4,15
3,78
3,47
2,95
7)1
?¿5
)11
2,99
2,79
2,62
¿,+ I
2,34
2,21
7
4,00
))\
4,84
3,71
)')
6,65
6,24
5,88
5,57
5?R
5,03
4,59
4,22
3,92
3,65
3,43
8,61
8,01
34,1
9,69
8,95
8,34
10,03
7,81
8,08
7,67
7,34
6,92
6,58
6,26
5,98
s1)
5,29
4,93
4,62
4,36
4,14
3,94
9,29
8,61
7)1
6,88
6,57
6,29
6,04
5,61
5,24
4,95
4,68
4,46
4,27
4,10
3,94
1,49
2,54
2,36
2,21
2,08
1,97
1,86
1,76
2,0r
))?
3,06
2,90
2,77
2,64
2,54
2,44
|,41
|,67
1,92
2,14
2,34
)1)
l,33
1,59
1 <')
1,83
2,06
1,76
1,59
1,46
1,26
1,10
0,989
0,895
0,767
0,672
0,604
r,98
1,82
2,26
2,19
2,02
2,63
2,56
2,39
1,68
I,88
))\
2,74
2,60
1,47
1,67
2,04
2,39
l,3l
1,51
1,88
))7
)\Á
r,20
1,39
1,30
1,16
1,76
2,ll
1,66
2,01
1,52
1,86
2,44
2,34
2,20
2,10
2,02
2,08
1,94
1,80
r,69
r,59
1,26
r,1
1,36
1
0,983
1,23
0,794
1,03
0,661
0,559
0,481
0,369
|
0,882
0,774
0,686
0,563
0,476
0,415
0,367
0,330
0,143
0,295
Vafores tomados de
2,tl
0,552
0,511
0,471
3,02
2,85
2,70
2,56
2,44
)77
1,10
0,962
711
3,01
3,62
3,48
3,36
2,91
?t5
2,81
3,l5
3,r4
3,06
2,98
2,90
3,81
3,69
3,58
3,48
3,39
3,7r
3,31
16?
3,24
3,07
2,93
3,56
3,40
3,26
)1)
?ol
0,868
1,06
1,42
0,794
0,740
0,983
1,35
1,76
1,69
0,929
0,882
0,834
1,63
1,58
r,96
0,700
0,655
1,29
1,24
I,l9
1,53
1,86
King, de Handbook of Hydraulics, 4." ed., McGraw-Hill Co.
3,81
t,9l
2,89
2,77
2,67
,{?
2,42
,15
2,29
2,24
2,19
|
r0,09
9,49
9,02
8,14.
7,8r
7,47
7,20
6,93
6,53
6,18
5,88
5,63
5,41
\))
50s
4,90
4,77
4,65
4,54
4,44
4,35
4,21
4,20
4,04
3,90
3,69
3,54
3,42
?1?
3,18
3,08
2,99
2,93
2,89
2,84
255
APENDICE
TABLA 12*
VALORES DEL FACTOR DE DESCARGA K' EN Q: (K'ln)b8t35rt2
PARA CANALES TRAPEZOIDALES
(y : profundidad de la corriente, á : anchura de la solera del canal)
Pendientes de los lados de
Vertical
a/b
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,00046
0,00143
0,00046
0,00145
0,00279
0,00444
0,00282
0,20
0,0283
0,0286
0,0320
0,0355
0,0300
0,0338
0,0376
0,0312
0,0353
0,0394
0,0323
0,0466
0,u17
0,M37
0,0458
0,0501
0,0482
0,0529
0,0422
0,0471
0,0522
0,0M5
0,0392
0,0429
0,0498
0,0554
0,0612
0,0544
0,0577
0,0627
0,0365
0,0409
0,0455
0,0503
0,0553
0,0605
0,0659
0,0734
0,0774
0,0841
0,0956
0,108
0,120
0,134
0,0942
0,t47
0,0895
0,1023
0,116
0,1 30
0,145
0,160
0,162
0,r77
0,177
0,194
0,212
0,230
0,0983
0,1077
0,34
0,1
0,36
0,38
0,r272
1
71
0,40
0,137
0,147
0,42
0,1 57
0,60
0,70
0,80
0,167
0,178
0,188
0,199
0,225
0,252
0,308
0,365
0,90
0,423
0,50
0,1097
0,tzlr
0,133
0,145
0,157
0,170
0,184
0,192
0,19'l
0,211
0,208
0,225
0,242
0,225
0,259
0,239
0,277
0,324
1,00
1,20
0,480
0,600
0,276
0,315
0,398
0,488
0,585
0,ó88
0,915
r,40
0,720
r,t7l
t,&9
0,841
0,962
1,454
2,113
2,645
1,083
2,100
il \\
1,60
l,80
2,00
')
)\
*
0,0443
0,0275
0,30
0,32
0,46
0,48
0,0428
0,0485
0,0546
0,0610
0,0678
0,0750
0,0826
0,0989
0,0264
0,0801
0,0888
t,238
1,763
2,564
0,375
0,485
0,610
0,747
0,895
1,245
3,244
4,098
0,1 178
0,13 5
0,146
0,1 57
0,1 38
0,1 53
0,155
0,r72
0,167
0,189
0,180
0,205
0,172
0,193
0,2r3
0,231
0,190
0,210
0,229
0,2r5
0,238
0,264
0,292
0,322
0,353
0,386
0,259
0,421
0,468
0,509
0,0738
0,0875
0,1023
0,238
0,262
0,287
0,250
0,273
0,314
0,270
0,291
0,312
0,369
0,295
0,343
0,372
0,344
0,410
0,483
0,645
1,104
0,834
1,050
1,299
1,568
2,127
0,902
4786
? 55?
4,428
5,693
0,Mr2
0,01258
0,0159
0,0194
0,t077
0,r22
0,0764
0,251
0,431
0,5ó8
0,72s
0,0314
0,0361
0,00962
0,0523
0,0583
0,0646
0,0713
0,0783
0,0935
0,1097
0,1272
0,319
0,0168
0,0209
0,0253
0,0301
0,0355
0,0413
0,0475
0,0241
0,0260
0,0303
0,0347
0,0395
0,0629
0,0714
0,0162
0,0234
0,0278
0,0324
0,0374
0,0221
0,0251
0,0290
0,0332
0,0376
0,0590
0,0683
0,0781
0,0882
0,0989
0,00047
0,00150
0,00298
0,00489
0,00713
0,00976
0,01277
0,0228
0,0269
0,0214
0,0575
0,0630
0,0687
0,0808
4T
0,00047
0,00151
0,00302
0,00495
0,00731
0,01009
0,00046
0,00149
0,00295
0,00482
0,00705
0,0245
0,0468
0,0507
0,0546
31
0,00046
0,00149
0,00293
0,004'16
0,00695
0,00949
0,01231
0,0155
0,0190
0,0209
0,0114
0,0(X65
2!:l
0,00046
0,00148
0,00291
0,00471
0,00686
0,00929
0,01211
0,0151
0,0185
0,0205
0,0238
0,0162
0,00451
0,00649
0,00875
0,01117
0,0139
0,0168
0,0198
0,0231
a vertical)
2:L
0,0r76
0,22
0,24
0,26
0,28
O,M
0,00046
0,00147
0,00288
1$:1
0,0r72
0,0191
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19
1:1
0,0142
0,0221
0,0253
0,14
0,00046
0,00145
0,00285
0,00457
0,00659
0,00888
*'r
0,00674
0,00915
0,01178
0,0147
0,0180
0,00637
0,00855
0,01090
0,01346
I
0,12
0,13
+1
sección del canal (horizontal
0,00046
0,00146
0,00287
0,00461
0,00667
0,00902
0,01164
0,0145
0,10
0,1
+1
la
0,402
0,486
0,577
0,787
1,036
0,457
0,556
0,666
0,922
1,231
0,1164
0,1359
0,289
0,320
0,354
0,390
0,428
0,623
0,752
1,050
1,4r3
0,0199
0,0285
0,0334
0,0387
0,0504
0,05ó9
0,0637
0,0710
0,0787
0,0868
0,1043
0,1238
0,1447
0,1ó8
0,193
0,01326
0,0542
0,0614
0,0690
0,0773
0,0859
0,0952
0,1 15r
0,t373
0,1622
0,1 89
0,280
0,313
0,218
0,250
0,285
0,322
0,361
0,349
0,404
0,38ó
0,426
0,468
0,513
0,561
0,690
0,834
0,450
0,498
1,178
1,427
1,952
0,220
0,256
1,595
0,549
0,604
0,662
0,82r
1,003
r,332
l,588
1,844
, nql
1,662
2,012
2,342
2,672
3,318
1,878
2,470
3,035
4,112
5,t62
2,591
3,445
4,441
3,4'79
4,320
4,704
6,157
5,908
7,806
3,580
5,141
7,079
10,498
14,065
5,599
7,873
r0,021
12,1 80
5,949
8,210
10,969
14,266
7,268
10,363
13,324
t6,218
t9,rL2
24.697
Valores tomados de King, de Handbook of Hydraulics, 4." ed., McGraw-Hill Co'
9,421
) \11
7 511
18,371
256
APENDICE
TABLA
13
AREAS DE CIRCULOS
Diámetro interior
Diámetro interior
Area
(cmt )
(cm¡
)(\
3,14
'7,07
40
962,1
1.257
4,0
12,5'7
45
15.90
19.64
)7 76
45
50
1.590
1.964
'75
100
)R )1
38.48
4.418
7.854
t2.272
r50
l'7.672
50.27
63,62
'78.54
175
200
24.053
225
6.7
250
300
39.761
49.087
70.68ó
5,0
55
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
15,0
17
20.0
314,2
t25
TABLA
Nom.
de tuberia
Espesor
de
(in)
A
(cm
aprox.
pared
(cm)
Tubería tipo B
(carga 30 m)
(carga 60 m)
Diám.
interior
(cm)
Peso
(kelm)
r,0'7
1,12
8
20
l,l7
10
1,2'7
14
25
30
35
l6
40
S)
18
45
tÁ1
1A
50
60
6l,67
304,0
434,2
91,39
583,1
'762,9
)^
I
30
75
1,70
1,93
a 1^
JO
90
)51
42
48
105
r20
1)n
<A
r35
60
1¿1
1 51
72
150
180
84
2to
2,19,
4,11
14
Tuberia tipo A
t0
l)
117
145
3l.416
Y DIMENSIONES DE TUBERIAS DE FUNDICION
o
l2
490,9
706,9
9,62
3,0
Diám.
(cm')
25
30
35
4,91
PESOS
Area
(cm2)
10,06
15,29
20,6s
75 Á5
30,78
35.97
41,15
46,28
51,46
'76,15
106,68
l2l,87
Diám.
Espesor
de
pared
interior
(cm)
(cm)
Espesor
Diám.
Peso
de
interior
(ke/m)
pared
Peso
(kelm)
(cm)
(cm)
)aR
1,14
t0,26
I 1a
10,41
15,60
1,22
34,'l
45,8
63,9
85,0
lo'7,9
49,6
1,30
1\ 44
l,30
20.40
70,'l
t,42
20,78
1,45
1 <?
2s,30
51 1
77,6
105,4
r11 4
16r,2
r92,3
r37,06
992,4
1.190,8
152,45
t.364,5
I 83, 13
1.908,3
2.435,2
213,61
Tubería tipo C
(carga 90 m)
I,68
1,78
30,38
15 5r
40,64
1,57
25,81
1)) )
r,'73
r52,6
1,88
186,1
2,03
30,84
3s,99
41,15
2,34
2,64
3,05
3,45
95,0
|,91
45,'72
2,03
2,26
2,62
50,80
260,5
61,0
147
r
1?5
76,05
91,44
r 06,53
3,6r
121,82
3,94
4,24
4,9s
5,64
137,16
)q)
t(l
<<
183,13
213,61
7
496,1
676,1
880,8
1.116,4
1.389,2
1.643,3
2.302,7
3.131,9
))1
3,91
4,34
4,83
5,08
6,07
136,5
r73,7
46,1 8
214,0
260,5
51
310,
,36
61,57
76,20
91,39
106,73
12r,8'7
l
415,6
59s,4
812,4
1.066,8
I .3 52,0
r3'7,t6
1.699,9
r52,91
1.997,6
2.834.2
183,13
3 4 5678105
3 4 5 67810'
3
4 5 678
106
.100
DIAGRAMA A-1
.090
FICIENTES DE FRICCION
.080
Turbulencia comDleta
.050
=./d
.0?0
.040
.060
.030
PARACUALOUIER CLASE O TAMAN
DE TUBERIA)
.025
.020
Curvas para rugosidades relativas
.050
= cld
e/d de .000001 a .050
.015
.040
(.)
(.)
ú
.008
Lam inar
.030
tamaño de las imperfecciones superficiales en cm.
diámetro interior real en cm
.030
I
tl+
I
lranslclon
_
I
z
Tipo de tub€r¡¡ o de
rev6tiEieoto (Duevo)
(J
Inaen¡lo
I
0001 5
Cobre
.0001 5
0001 5
8
o2
ooo24
oon) 4
Fund ¡evestimi€nto hr!uminoso
00024
00024
Fundición centrifugada
Hierro galvanizado
Hrerro lorlado
Acero comercial y soidado
0003
OOUJ
006- 024
05
Acero robloDado
Tubo estirado
Madera
.0002
tt24
0t2-0ó
006- 0t
.0004
ot2
03- 3
.0001
.00006
.00004
006
003- 009
006
09- 9
.0
00024
00024
018- 09
06
678105
r-t 2
3 4 56?8106
NUMERO DE REYNOLDS
Nota: Por
.020
.0008
.0006
Velo¡ de di*ño
000t 5
n reveslida de cemento
¿/d
.0010
V¡lor6 de € en cm
L¿tón
Hormigon
Fundición desnuda
Fundición asfaltada
-o25
.002=
.0015
3 4 5 678
F
U
-
.004
¿-"
*l
/:
.006
't
64
.025
-
G
.010
z
razones tipográficas, se ha conservado en estos diagramas
:
1.5 2
3 4 5678107
1.5
2
4 5678
vd
t
la notación decimal de la edición en
inglés
IJ
\¡
N)
@
0.10019
.090
.090
Turbulencia completa
.080
DIAGRAMA A.2*
.080
.050
.070
=
¿ld
.070
.040
.060
.030
=./d
.060
Curvas para rugosidades ¡elativas
.026
.o20
e/d de .00000t a .050
tamaño de las imperfeccrones superficiales en cm.
d: diámetro interior real en cm'Para la resolución directa, cuando 0 es
€
.0L6
z
= clil
.010
.008
(J
FICIENTES DE FRICCION
PARA CUALQUIER CI..ASE O TAMAÑ
DE TUBERIA)
:
desconocido, se calcula
L)
lrt
*
"tllt
Rrrf/.
que es igual a
geuncapiruto
7)
.030
.004
.003
.026
tr
z
(J
TiDo de tub€ri¡ o de
revesaiúieolo (trúevo)
lI
V¡lo¡es de É en cD
lnaerv¡lo
V¡lor de di*ño
00015
0001 5
Cobre
000
0001 5
Hormigón
Fundición desnuda
Fundición asfaltada
Fundición rcvestida de
0J-
Fund
revestim¡entobituminoso
tund¡ción centrifugada
Hierro galvanizado
Hierro lbrjado
Acero comercial v soldado
Ace¡o roblonado
Tubo estirado
Madera
5
3
012-.06
t2
o24
.006- 018
ot2
00024
00024
ooo24
0003
ooo24
0003
006- o)4
05
00t-.009
001- 009
.09- 9
ooo24
018- 09
.0001
= y'd
.012
.00006
.010
.010
006
.009
.009
006
.008
.008
. 00024
.007
06
VALORES
DE R"rt
=
g I
,{
2g q-n"
L
259
DIAGRAMA
B
MONOGRAMA DE CAUDALES
FORMULA DE HAZEN-WILLIAMS, C':100
9.000
r50
7.000
5.000
r00
3.000
50
¿0
r.500
30
d)
Szo
=rs
r.¡
:-tl
0r 20
o
a
o
fE
0,30
0,40
0,5 0
+
L2
r30
r20
I r0
0,? 0
il!!
36
90
t.000
F
J
750
z.
¿8
500
ltJ
)
o
f
obojo _--"/
-"/ '--''
Ver(2)
r00
30
(J
uor
80
Ver (1)
250
E
:s
o(
(9
79----.:""/
l50'-'/
20
o
:l
L)l
LN
<t5
o
q¿
q3
20
30
ñr0
25
rJ
tr
20
ztd
ú)
¿,00
ztu
8,oo
zt!
10,0
F
l5,o
o
É,
(9
É,
o
l¡l
o
o
ó
CE
ul
á6
1,50
5,0 0
trJ
0,5
1,00
3,00
LrJ
e12
tr
tr
o
o
o
2,00
F
F
8B
F
25
obojo
a
o
fr
9
a
J
E
o
o
o
r50
60
51
ro
z.
ul
0,15
2.500 (9
2.000 trJ
r5
UJ
L
20p
o
t5
30,0
t0
¿0r0
r0
sq0
¡
I
UTILIZACION DEL MONOGRAMA
(1) Dqdo D=60cm., S=1,0m/1000m,
C¡=
120;determinqr
et cqudol Q.
El nomogrqmo dó Qroo=170 t.r/seg.
Poro C¡=llQ, O = (lz0/.l00) 170 = 201 t. /seg.
(2) Dqdo O=156 l./seg., D= 60cm., Cl =120; determinor to
o Oroo : er00 = (100y'20)156
El nomogromo dó S=0,60rn./tooorrl.
Combiendo Orzo
=130
pirdido
t./q.
de corgo.
NJ
la
r
e
U
i:
U
100,000
NUMERO DE REYNOLDS
1x106
= VoDo/v
F*i
=
¡:
U
.93
1000
NUMERO DE REYNOLDS: VzDzlv
N)
o\
262
.¿
9:
q
\]
a(
q
la
\
e
) qJNTI)HgOJ
.02
100
.03
.05 .0?
.l
FERAS(ESCALA SUPERIOR
80
60
50
,10
30
n
.2 .3 .5 .? I
DIAGRAMA
Cr=#paraft"5o.60
-nE
F
COEFICIENTE DE RESISTENCIA
EN FUNCION DE R"
U
s
Q
-
I
q
q
l¡l
t\
R
l¡¡
U
I
l¡¡
^Q
.6
.5
.4
.3
,
2tt
2r,
NUMERO DE REYNOLDS (VDlv)
t\)
l..J
o\
A
DIAGRAMA
G
COEFICIENTES DE RESISTENCIA PARA PLACAS PLANAS
C, = o'?7: 1ft" < to?,
Y
LISAS
turbulento )
RLtt
U
\
ú
.005
(-)
R
l'l
.004
{
C^
(^
a
0<
\
cn=
lt¡
r=\
¡
(logro ffr)2'58
TRANSICION
.@2
_ 0.455
r_t)---------_------F
a
U
0.455
-
.m15
(locr¡ fr)"'oo
t?00
Rf
lparaR¡, > b0O,0O0)
.2
100
NUMERO DE REYNOLDS (Vxlvl
(Rr >
107)
265
DIAGRAMA
COEFICIENTES
H
DE RESISTENCIA A VELOCIDADES SUPERSONICAS
1.8
1.6
U
\
1.4
(-)
R
|\
c^
{
r.2
C^
A<
1.0
KJ
Li
e
ll¡
.8
U
:
U
.6
.4
.2
0
1.6
2.O 2.4
NUMERO DE MACH
2.8
3.2
3.6
4.0
INDICE
Aceleración hneal,42-45
Adhesión, 4
Adrizante, momento, en
Bernoulli, ecuación de, 73,
cuerpos 230,241
flotantes, 36, 40
Agua, ruedas de,225
Aire, propiedades del, 246
83-92,
229,
103-109, 136-145, 149, 155,
Bomba, rendimiento de utta,
237-239
227,
Canales abiertos, de sección circular
incompleta, 169,170
distribución de velocidad,
161,
165, 167
energía especifica, 16l, 173-177
factores de descarga K y K', 170'
172, 254, 255
en,230,
238
73,84,107,110,111,136,139, caudal unitario,226,23l,232 flujoen,crítico,162,173-177,182188
140
curvas altura-caudal en. 238.240
no uniforme, 162, 178-188
de velocidad, 73,84-92, 135, 16l,
en tuberías de transporte, 87, 10ó,
subcrítico, 162' 173-176
229,231
121,240
desarrollada por bombas, 230,
factordevelocidad,225,23l,232 supercrítico, 162,173-l'16
231, 237, 238
geométricamente semejantes,225- flujo laminar, 160, 16l, 164
flujo no uniforme en, 160, 162,
decreciente, 152-154
227,236-240
177-188
desagüe bajo, 152-154
homólogas, 226,237-240
elevación o cota topográfica,13 leyes y constantes para, 231-240 flujo normal, 161
modelos de,237,239
flujo turbulento, 16l-188
estática,73
pérdida de carga en, 231,237
flujo uniforme, 160, 163-177
pérdida de, 56, 83, 98-100, 102,
potencia unitaria, 226,231,232 fórmula de Bazin para, 16l
249
fórmula de Chezy para, 160, 163,
en boquillas, 134,141,145,146, relación de velocidad, 225, 237 239
166,168-172
261
velocidadespecífica,227,231,239 fórmuladeKutterpara,160,168en canales abiertos, 16l, 178170,253
velocidad unitaria, 226, 231, 232
180, 184, 185
fórmula de Manning para, 160,
en orificios, 134, 139,140,249, Boquillas, coeficientes de, 134, l4l,
145, 146,261
166-172, 175, r82
260
entuberías,85,86,98-111,116- deaforo,145-147,252,261 líneadealturaspiezométricasen,
163
en tuberías, 134,141,145,146
129
flujo a través de, fluidos compre- línea de alturas totales en, 160,
en tubos, 134,140
sibles, 145, 146,252
162, l8l
en venturímetros, 134, 142,143,
de fluidos incompresibles, 141
medidor de caudal, 188
147,262
sobreturbinas,230,233-236 pérdidas de carga en,134,141, pendiente critica,l74,l'75
pendiente de, 160-165, 168-l'72,
145, 146,249
sobre vertederos, 135, 149-152.
Boyle, ley de,2
1'75-182
154
Brusca, contracción, 107,108,249, pérdidas de carga en, 161, 178tota1,73,84,133, 139,140
180, 184, 185
Altura de succión de una bomba.87 250
perfiles, 182,'183
Análisis dimensional, 50, 67, 207, Brusco, ensanchamiento, 106, 107,
profundidad crítica en, 162, 173110,249,250
213
l7'7, 182-188
Buckingham, teorema de Pi de, 50,
Angulo, de ataque, 194, 209, Zl0
57-61
radio hidráulico, 160-162, 166delcono, 196,221
172, 175-181,185, 18ó
Areas de círculos, 256
rectangulares, 162-164, 166-110,
Arquímedes, principio de, 36
l'73-175, 176-195
Canales abiertos, 160-188
Atmósfera, normal, 11
caudal unitario máximo e¡, 162,
resalto hidráulico, 163, 183-187
173-177
sección óptirna, L72
coeficientes de rugosidad, 161,
tensión cortante en, 163-165
Barómetro, 11
163-168,252
tramos en, 162, 177, 178
Bazin, fórmula del vertedero, 135
curvas de perfil, 177-183
trapezoidales, l7l,172,174-176
fórmula para C, 16l
Altura
de carga, de presión, 5, I
l-15,
Bombas, altura desarrollada
231, 237,
267
268
INDICE
Canales abiertos, velocidad crítica
en, 162, I73-l'77
Cantid¿d de movimiento, coeficiente de corrección de la. 192,196,
Colebrook, ecuación de, 99
Componente horizontal de una fuer-
2a,22,29-32
Componentes de fuerza hidrostáti-
ca,22,29-32
197
ecuación de la, 192
lineal, 192-20'7, 240
momento de La,228
variación de la, 192,
l9'7 -20'7,
228,
240
Capa límite, coeficiente de resistencia, 194, 195,214-217
en placas planas, 194, 213-217,
264
espesor de, 166, 194,195,213-217
laminar, l¿6, tg4, 213-217
tensión cortante en, 165, 194,195,
213,2r4
turbulento, 195, 215-217, 264
Capilaridad, 4, 18
Cauchy, número de, 52
Caudal,'70-72
ideal, 133, 134
medida de, 133-156
Cavitación, l4l,227
Celeridad, 6, 57, 137, 148, 196,206,
207, 21'7-22r
de masa, 70-71
Contracción de un chorro, 134, 139,
l4r, 143, r44
Cortante, tensión, en fluidos, 3, 9,
10, 56, 83, 97,100-102, r94,195,
214
Cortantes, fuerzas,82, 83,
Cortos, tubos, 140, 153
101
Cuerpos sumergidos, empuje hidrostático de, 36-40
resistencia sobre, 193, 207-218
Curva de perfil, 177-183
Charles, ley de, 2
Chezy, fórmula de, 160, 163, 166,
Choque, onda de, 196
Chorro, contracción de un, 134, 141,
r43, r44
Cilindro, coeficientes de resistencia,
263
Cinemática, semejanza, 51, 6l-6'7
viscosidad, 3,'7, 8, 246, 247
Cinética, energía, 73, 241
factor de corrección de la, 73, 81,
energía de un, 140, 141
fuerza de un, 197-201,204,205
presión en un,45, 139, 148
reacción de w'204-207
trayectoria de un, 139
velocidad de un, 134, 139-141,
t43, 148
161
Cipolletti, vertedero de, 135,
152
Codos, fuerzas sobre, 202, 203
pérdidas en, 118,249
Coeficiente, de boquillas y toberas,
260-262
variación con
el
número de
Reynolds, 260-262
de orificios medidores, 143, 144,
260
de resistencia, 55, 66, 67,
195,
207 -217
Darcy, factor de fricción de, 57, 98,
99, r02-rr1,116, 118, 160, 168,
248, 25'7,258
Darcy-Weisbach, fórmula de, 98,
145-147, 261
de contracción, 134, 139-l4l
de descarga, 133, 139-145, 251,
193-
, 263-265
r02-r11,116,
118
Densidad, 2, 6,246
Depósitos, tiempo de vaciado de,
66, 136, 152-154
Diagramas:
coeficientes de boquillas de afo-
ro,26l
coeficientes de medidores de ori-
ficio, 260
coeficientes de resistencia, 263-
de venturímetros, 134, 142,143,
coefi cientes de venturímet r os, 262
262
Cohesión, 4
265
factor/de Darcy en función
Bernoulli)
Ecuaciones, empíricas para flujo en
tuberias, 115
generales del movimiento, 82, 84
Elasticidad, módulo de,5-'l ,52, 196,
218-220,246
Empuje, 206, 207, 227, 240-243
del hielo sobre las presas, 29
hidrostático, 36-40
hidrostático sobre la base de una
presa, 29
Energía, cinética, 73, 241
conservación de la,72
debida a Ia presión, 73
específica, 16l, 173-17'l
interna, 73
potencial, 73
total, 82, 84
transformación, de la, 84
Ensanchamiento, brusco, 107, 110,
249
gradual,249,250
pérdidas, 249,250
Esferas, coeficientes de resistencia,
263
resistencia de, 193,
2ll,
212,217,
221
Específica, energía, 16l, 173-1'77
velocidad, 226, 227, 231-236, 239
Específico, calor, 6
peso,2, 6,246
volumen, 2, 6,
7
Estabilidad, de cuerpos flotantes,
36,40
Estacionaria, ola, 66
Estancamiento, presión de, 90, 133,
l3't,
138,
19'7
punto de, 90,136, l3'7
temperatura de, 138
Estática, presión, 136, 138
Estela,242,243
Euler, ecuación de, 83
número de, 51,64
Exponente adiabático, 5, 84, 246
del
número de Reynolds, 257,258
nomograma de Hazen-Williams,
2s9
Ecuación, de continuidad, 7 l, 7 4-77
de la energía (ulase Ecuación de
de cuerpos sumergidos, 36
de rugosidad, 116
de sustentación, 193, 194,208-2ll
de velocidad, 134, 139-141
147,262
Coeficientes de flujo, 142-145,260-
Distribución de velocidades, 73, 81,
97, 101, 161, 165, 167, r97, 213
Compresibilidad, de gases, 5-7, 17
de líquidos, 5
Compresión de gases, 5-7, 17
Condiciones adiabáticas, 5,7, 145
Conservación, de energia, 72
168-172
Centro, de flotación, 36, 40
de gravedad,22-29
de presión, 22-29
Cero, presión, 12
Diferencia de presión, 4, 12-17, 195,
219,220
Dimensiones, 1
Factores de expansión Y, 146,252
Flotación, 36-40
centro de, 36, 40
269
INDICE
Fluidos, I
propiedades de, 1-19, 246,247
Flujo, adiabático, 84, 91, 137-139,
r45-149
crítico, 96, 100, 162, 173-177, 182-
de fluidos compresibles, 83, 84,
92, 108-1 10, r37 -139, 145-149
a través de boquillas de aforo,
145-14'l,252
a través de orificios, 9, 90, 148
a través de secciones convergentes, 145, 147 , 148
a través de tuberías, 91,92, 108,
109.137-139. 145-149
a través de venturímetros, 145,
147,252
ecuaciones generales del, 82-84
en canales abiertos, 160-188
en tuberias, 85-89, 91, 92, 96-lll,
rL6-129,136-138
isotérmico, 83,.92, 108-110
laminar, 96, 98-104, 160, 194, 214medida de. 133-15ó
l2r7
neto, 72, 78-81
no permanente,71,76, 136, 152156
no uniforme, 7 1, 7 6, 152-156, 160,
162, 178-188
permanente, 7 l, 7 4, 77, 82, 85, 89,
91, 96-rll, 115-129, 163-167
radial,23l
supersónico, 194, 196, 221
suponiendo densidad constante,
8ó, 90, 105, 111, 138, 14ó
tridimensional. 76. 77
turbulento, 96, 104-111, ll5-129,
96-lll, ll5-129,
160, t63-t77
Francis, fórmula del verte{ero de,
elásticas, 52, 6l
empuje hidrostático, 36-40
localización de. 22. 24-29
sobre álabes, 199-201
sobre 6reas,22-23
sobre codos. 202.203
sobre cuerpos flotantes, 36-40
sobre placas planas, 197, 198, 204,
99, 101-111, 116, 118, 160, 168,
248.257.25?
Hazen-Williams, 115-129
número de Reynolds y,99,
l0l-
ttt,257,258
tablas de, 248
Froude, número de, 52, 63, 65-67
Fteley y Stearns, fórmula del verte-
dero de, 135
Fuerza dinámica. 192-212
sobre codos en tuberías. 202.203
sobre placas planas, 197-198,204,
208.210
sobre reductores en tuberías. 202.
240,24r,243
relación avance-diámetro, 242
Hidráulica, 1
Hidrómetro, 37
208,2t0
Impulso, 192, 197 -207, 240
Impulso-cantidad de movimiento,
principio del, 192, 197-207,228'
240
Inercia-elasticidad, relación de fuerzas de,52
Inercia-gravedad, relación de fuerzas de, 52,63,65-67
Inercia-presión, relación de fuerzas
de, 51
sobre presas, 28, 29
sobre reductores, 202, 203
sobre superficies curvas, 22,29-32
Inercia, relación de fuerzas de, 51'
Fundamentos de flujo de fluidos,
de fuerzas de, 52
Inercia-viscosidad, relación de fuerzas de. 51. 63-65
Isotérmica, flujo, 83, 92, 108-110
Isotérmicas, condiciones, 5, 7, l7
70-95
Gases, compresión de, 5-7, l7
62
Inercia-tensión superficial, relación
definición, I
flujo de, adiabático, 84,91,137,
Kutter, coeficiente de, 160, 168-170'
138, 145-148
flujo de, densidad constante, 86,
253
90, 105, 111, 138, 146
flujo de, isotérmico, 83-92
de,2, 5,246
viscosidad de,3,246
Giro, de masas líquidas,42,45-48
en vasijas abiertas, 42,45,46
en vasijas cerradas, 42,46-48
Golpe de ariete, 195, 217-220
Gradiente, de alturas de presión
(uéase a continuación, de alturas piezométricas)
de alturas piezométricas, 74, 84,
89, 106-108, 110, 111, r2l, r23,
t24,163
135
Fricción, factores para tuberías, 57,
Hélices, potencia de salida en,227,
Hidrostática, 22-40
de gravedad, 52, 6l-63, 65-67
de presión, relación de,51,62
dinámicas, 192-212
pesos específicos
sónico,194
subsónico,194
203
de,22,29-32
componentes verticales de, 22,
29-32
188
r95,215-217
uniforme, 7 0-72,
Fuerza dinámica, sobre superficies
curvas, 192,197-203
Fuerzas, componentes horizontales
de alturas totales, 74,84,87,89,
107-110, 160-182, 187, 188
Hardy Cross, método de, 125-129
Hazen-Williams, fórmula de, 115
diagrama de la,259
empleo de la, 116-129
Laminar, capa límite, 166, 194,2132r7
fl
ujo, 96, 98-10 4, 160, 194, 213-217
en canales abiertos, 160, 161,
r64
en capas límites, 194,213-217
en tuberías, 96, 98-104
2ll, 212, 22t
Límite, velocidad,
Línea de alturas piezométricas, 5ó,
7 4, 84, 89, 106-108, rl0, lrr, l2l,
123, 124,163
Línea de corriente, 71,79,80
Líneas, de alturas totales, 74, 84,
87,89, 107, 108, 110, 111, 160,
162, l8l
equipotenciales, 72, 79, 80
Líquidos, propiedades de los, 1-19,
246.247
Longitudinal, tensión, 23
Hélice. turbina de.236
Hélices, características de las, 227,
240-243
coeficientes de las, 227, 242, 243
empuje en, 227, 240, 241, 243
Mach, ángulo de, 196,221
número de, 52, 61, 138, 148, 194,
potencia de entrada en, 57,227,
Manning, fórmula de, 160, 166-172,
243
196, 206, 207, 210, 22r
175-182
270
INDICE
Manómetro diferencial, 13,
15,
t6,
85, 137, 142, r43,145,147
de tubo
enU,
12-14
Máquinas hidráulicas, 225-243
Máxima, potencial, 200
Máxima, desagüe, 162, 172
Mecánica de fluidos, I
Media velocidad, 72, 73, 78,
125-129
Pelicular, rozamiento (uéase Resistencra)
Pendiente, critica,
164-166
Medidas de flujo de fluidos compresibles, 137, 138, 145-149
Medidor de flujo crítico, 188
Medidores, de boquilla, 134,
r45, 146,252,261
de orificio, 143, 144,260
Venturi, 85, 134, 142, 143,
Par, 225,227,228
Parabólica, superflcie de agua, 45-48
Paralelo, tuberías en, 115, ll9-123,
t4I,
147. 252. 262
Menores, pérdidas, en tuberías, 107,
rr8,249
Metacentro, 40
Modelos y prototipos, 50-52, oi-67,
236-242
Módulo de elasticidad, 5-7,52, 196,
2t8-220,246
volumétrico, 5-7, 52, 196, 218220,246
Mojado, perímetro, en canales abiertos, 163, 164, 167-172, 175-
17
4,
17 5
de canales abiertos, 160-165, 168172, 175-182
de la línea de alturas piezométricas, 56, 74, 89, 106-108, ll0,
t2t, 123, 124, 163
de la línea de alturas totales, 74,
87, 89, 107, 108, 110, 111; 160,
162, r8l
Pérdida, de energía (uéase Pérdid,as
de carga)
ttl,
por fricción
(uéase Pérdidas de
carga)
Pérdidas, a la entrada, 108,110,249
a la salida, 106, 118, 231,249
de carga, 56, 83, 98-100,102,249
a la entrada, 108, 110,249
a la salida, 107, 118,249
debidas a codos, 118,249
debidas a contracciones, 107,
249,250
debidas
a
ensanchamientos,
181. 185. 186
en tuberías, 83, 96, 102-ll1
Mon¡ento, adrizante de cuerpo flotante. 36. 40
107,110,249,250
debidas a válvulas, 110,
cinético,228
Momentos d,e inercia, 22-29
142, 143, 145, 147,262
en accesorios, 107, 108,249
en boquillas, 134, l4l, 145, 146,
261
en canales abiertos, 161, 178180. 184. 185
en flujo compresible, 109
en flujo laminar, 98
en orificios, 134, 139,140,249,
260
en resalto hidráulico, 163, 183r87
en tuberías, 56, 83, 86, 98-100,
Newton. ecuación de.
51
No
permanente, flujo, 71, 76, 152156, 160, 162,177-188
No uniforme, flujo, 71, 76, 152-156,
160, 162, 177-188
Nominal, potencia, 82, 234-237
Número de Reynolds crítico, 99,
100,216,217
118,
123.149
debidas a venturímetros. 134.
r02-ltt, tt6-129
Onda, de compresión, 218-220
de presión, velocidad de la ,6, 137 t39, 148, 196, 206, 207, 2r7 -221
en tubos. 134.140
menores, 107, 118,249
otras, 100, ll8,249
Optimización económica de tuberias, I24
Orificios. 139. UA
Perfil de ala. 193.203
Periférica, factor de velocidad, 225,
cóeficientes de, 133, 139,251,260
desagüe bajo altura de carga decreciente, 152-154
en flujo compresitile, 90, 91, 148
ed tuberías, 143, 144,260
medidor de, 143, 144,260
pérdidas de carga en, 134, 139,
Perímetro mojado, 83,96, 102-lll,
163, 164, 167-172, 175-181, 185,
r40.249.260
231-237
18ó
Permanente, flujo, 71, 74, 77, 82, 85,
89, 91, 92, 96-llr, 115-129, 163r77
Peso, caudal en,75,76, 146, 147
específico, 2,6,246
Pesos, fluidos, 2
de tuberías de fundición, 256
Piezométricos. tubos. 14
Piezómetro mojado, 83, 9 6, 102-lll,
163, 164, 167 -172, 175-181, 186
Piezómetros, 14
Pitot, tubos de, 133, 136-138
Placas planas, capa límite en,
195,213-217
fuerza dinámica sobre, t97,198.
204,208,2r0
número de Reynolds para, 194,
r95,214-216
resistencia de, 193, 194,208-210,
2lt,213-216,217
Planos, superficies, fuerzas sobre,
22-29
Poise, 3, 7, 8
Poiseuille, ecuación de, 98, 102-104
Potencia, de un chorro, 140, l4l
expresiones de La,74, 123, 201',
209, 225-228
nominal. 82.234-237
suministrada a una turbina, 82,
87, 89, 110, 123, 228-230
suministrada por una bomba, 87,
106. 121.228
Potencial, energia, T3
Powell, fórmula de, 161, 167, 168
Presas, curva de remanso originada
por, 177-183
de gravedad, 29
empuje hidrostático sobre, 29
fuerzas sobre,29
resalto hidráulico después de, I 83Presión, absoluta, 5, ll,
[1S7
altura de, 5, 11-15, 73,84, 107,
110, 111, 136, 139,140
16
atmosférica, 11
barométrica, 11
centro de,22-29
crítica, relación de, 148
de estancamiento, 90, 133, 137,
138, 197
de vapor, 3,87, 141,246
de vapor de agua, 3,87, 141,246
diferencia de,4, 12-17
dinámica, 54, 197
en el golpe de ariete, 195,217-220
en un chorro, 45,139,148
en un fluido, 4
energía de, 73
estática. 136. 138
manométrica. 4. 1l-16
negativa, 11
transmisión de, 4
unitaria. 4. 10-17
Principio de Arquímedes, 36
Profundidad, cntica, 162, 173-17i,
I 82-1 85
INDICE
Profundidad, de flotación, 36-40
Propiedades de los fluidos. 10-19,
Rugosidad,encanalesabiertos,
163-168,252
246,241
en tuberias.56,60,99. 104,
Propulsión, a reacción,
de,205-207
dispositivos
116
Proyectil, resistencia de
un,221,265
Radio hidráulico, 83, 96, 115,
160-162, t66-172. 175-181,
186
Reacción, de un chorro,
116,
185,
Saybolt segundos.
8
185
235-240
hidráulica, 50-67
relación de caudales, 51, 6l
relación de fuerzas, 51,52,61-
173-175,1'16-
vertederos, 134, 135, 149-151,
154
172
transversal óptima,172
Semejanza, cinemática, 51, 6l-67
dinámica, 51,52,61-67
geométrica, 50, 61-67, 225-22'7,
204-20'7
turbina de,228-230,234,236
Rectangulares, canales abiertos,
115.
64
relación de presiones, 51, 6l
relación de tiempos, 52, 62
relación de velocidades,51,6l-
Red de tuberías, método de Hardy
63
leyes de, 50-52,61-67,225-228
Cross, 125-129
Relación, avance-diámetro,242 Sin contracción, vertederos, 134,
de presión crítica, 148
Relaciones, de caudal, 51, 61
de fuerza, 51, 52, 6l-64
de presión, 51,52,62
de tiempo, 52, 62
de velocidad, 51, 61-63
Relativa, densidad, 2,36-38,247
Tablas, exponentes adiabáticas,246
factores de descarga Ky K'.254,
255
factores de expansión ),. 252
Sección, recta óptima,
Radial, flujo, 231
velocidad, 231
16l,
relativa, 56, 60, 115, I 16
por hélices, 227
Prototipo, 50-52,61-67,236-242
162-164,166-170.
271
135, 149-151, 154, l7'7
Sistemas, de tuberias, ll5-129
de unidades, 1
lactores de rugosidad n (canales
abiertos), 252
factores de rugosidad r (canales
abiertos), 252
módulos de elasticidad, 246
pérdidas de carga en accesorios,
249
en contracciones bruscas, 250
en ensanchamientos graduaies,
250
peso específico, 246
pesos de tuberias de fundición,
256
presiones de vapor, 246
tensión superficial, 246
viscosidad absoluta, 246
viscosidad cinemática,246,241
viscosidad dinámica,246
Tainter, compuerta tipo, 34
Tamaño de una tuberia, más econó-
mica,124
requerido, 76, 100, lO3, 106, I l9
Temperatura, absoluta (Kelvin). 2,
1375. 7
194,218-221
de estancamiento, 138
Subcritico, flujo, 163, 113-176
Tensión en anillos, 22,32,219
Subsónica, velocidad, 194
Tensiones en tuberias. 22, 23, 32,
velocidad, 193, 198-201,210,215, Subsónico, flujo, 194
219
228,229,231,231
Succión, altura de, 87
Tiempo, necesario para establecer
Rendimiento, en héIices,241,243 Supercrítico,flujo,162,173-l'/6.221 un flujo, 136,154-156
Superficial, resistencia, 193,214-215 necesario para depósitos, 66, 136,
en bombas, 227,237-239
en turbinas, 82,227,230,235,236 tensión, 3, 18,246
152-154
Resalto hidráulico, 163. 183-187
Superficies curvas, fuerzas dinámiTiempos. relaciones de,52,62
cas sobre, 192,197-203
Resistencia, 55, 56, 193, 207-217
Total, altura de carga, 13,84, 133,
fuerzas estáticas sobre,22,29-32
coeficiente de, 66, 67, 193-195,
139, 140
20'7-217, 263-265
Supersónica, velocidad, 196, 221,
energía, 82, 84
265
de cuerpos sumergidos (ulase ReTransición, en capas limites, 195,
Sustentación. 193,201-211
sistencia)
216,264
de esferas, 193,211,212,217,221 coeficiente de, 194, 20'l-211
Transmisión de presión, 4
de forma, 193, 208, 2ll, 212, 211
Stoke, 3, 7, 8
Trapezoidales, canales abiertos, 171,
de placas, 193,208, 210,211,214172,174-176
217, 264
vertederos. 135, 152
?'líneas en, 144,260
de un perfil, 193
Traslación, de masas líquidas, 42-45
Tablas, áreas de círculos, 256
superficial, 193, 194,213-217
Trayectoria de un chorro, 139
Reynolds, número de,5l,54,59-67,
coeficientes C de Kutter, 253
Triangulares, vertederos, 135, 14996-100, 103-111, 116. 134,
coeficientes C, de Hazen-Wil151
143-147, 166-168, 193-195,
liams, 250
Tuberias, con bombas, 87,106, l2l,
207,208,210,212-217
coeficientes de desagüe para ori240
critico, 96, 100, 216,217
ficios normales, 251
con boquilla, 134, l4l, 145, 146
Rodete impulsor,230,231
coeñcientes de Fricción f para
con turbinas,89, 110, 123
Rodetes, 225-227
agua, 248
de fundición, dimensiones,256
Rozarniento, diagrama para factoconstante de los gases R, 246
de pesos, 256
res de, 257, 258
densidad, 246
diagramas de flujo para,257-259
Rueda de impulsión, 232-234
densidad relativa,24'/
diámetro económico de, 124
Rugosidad, coeficiente de Kutter.
dimensiones de tuberias de fundidimensión requerida para, 76,
160, 168-170,253
cíón,256
100.103. 106. ll9
Sonido, velocidad del, 6, 57,
139, 147-149,
272
INDICE
Tuberías, distribución de velocidad,
e¡,97,98, 101, 102
Turbinas, altura de carga sobre,230,
paralelo, ll5, ll9-123,125-129
en serie, 115, 117-119, l2l, 122
equivalentes, ll5, ll'7 -120
altura útil, 89, 232, 236
caudal unitario, 226, 231-235
de impulsión, 232-234
de reacción, 228-230, 234, 236
en tuberías de transporte, 89, 1 10,
en
espesor de,32,219
factores de fricción para, 57,99,
101-111, 1r6, 1r8, 160, 168,248,
)57
110. 137. 138.145-149
flujo en, 85-89, 91, 92,96-lll, 116-
r29, 136, r37
flujo laminar en, 96, 98-104
flujo turbulento en, 96, 97, 99,
lórmula de Hazen-Williams. para.
1r5,259
golpe de ariete en, 195,217-220
línea de alturas piezométricas en,
56,74,84,89, 106-108, 1 10, 111,
r2l, 123, r24, 163
línea de alturas totales en, 84, 87,
89, 107, 110
medida de caudal en, por boquilla de aforo, 134
por orificios, 143, 144,260
por tubos de Pitot, 133, 136-138
por venturímetros, 85, 134, 142,
143, 145, 147,252,262
no circulares. 111
número de Reynolds
f para,99,
103-111, 116,2s7,2s8
parcialmente llenas, t69, 170
y
pérdidas de carga en, 56, 83, 8ó,
98-100, 102-111, tr6-129
a Ia entrada, 108, 110, 249
a la salida, 107, ll8,249
debidaacodos,118,249
debida a contracciones,
107,
249,250
debida a válvulas, I 10, I 18, 123,
249
debida a venturímetros,
r42, t43, 145, 197, 262
116
semejanza entre modelo y prototipo, 50, 51, 6l-67,236,239,
241
tensiones en las paredes de,22,23,
32,219
tiempo necesario para establecer
el flujo en, 136, 154-156
velocidad crítica en, 96, 100
23r
151
237
235
rendimiento, 82, 22'7, 230, 235,
236
rendimiento hidráulico, 227, 230
velocidad específi ca, 226, 23 1 -236
velocidad óptima, 231, 234
velocidad unitaria, 226, 231-236
Tubos, capilares, 18
cortos, 140,
de un chorro, 134,139-141,143,
148
potencia unitaria, 226, 231-236
relación de velocidad, 225, 231-
153
de corrientes, 7 1, 79, 80
de Pitot, 133, 136-138
piezométricos, l4
Venturi, 85, 134, 142, 143, 145,
r4'7, 252, 262
Turbulenta, capa límite, 195, 2152r7, 264
de una onda de presión, 6,137139, r48, 196, 206, 207, 2r7 -221
del sonido, 6, 57, 137, 138,147r49, 194, 196, 206, 207, 217 -221
distribución de, 73,81, 97, 101,
161, 165, 167,197,213
efecto sobre la altura de velocidad. 73.
161
en canales abiertos, 160-188
gradiente de, 3, 8, 9
ideal. 134. 142
límite, 211, 212,221
media,72,73,78, 134, 160, 164-
r66
rnedida de la. 133. 136-139
periférica, factor de, 225, 231 -237
relativa, 193, 198-201, 210, 215,
228,229,231,237
sónica, 6, 57, 137, 138, 147-149,
194,2t8-22r
U, manómetro de tubo e¡, 12-14
Unidades empleadas, 1, 53
Uniforme, flujo, 70-92, 96-1 I I, I 15r29, 160, 163-r'77
Unitaria, presión, 4, 10-17
Unitario, caudal, 78, 161,
173-177
1
subsónica, 194
supersónica, 194, 221, 265
Velocidades, relación de, 51, 62
Vena contracta, 143, 144
Venturímetro, 85, 1 34, 142, 143, 145,
147.252.262
Vertederos, altura de, 135, 151
altura de carga sobre, 135, 149152, 154
con altura de carga decreciente.
154
116, 169
rugosidad de, 56, 60, 99, 104, I 15,
Velocidad, absoluta, 199-201, 237
de aproximación, 135, 143, 149-
1r0, 123,228-230
115,
ramificadas, ll5, 123
relación longitud-diámetro, 107
Vasija, giro de,42, 45-48
trasfación de,42-45
potencia de entrada, 82, 87, 89,
f
UTM,
menores, 107, 118,249
radio, hidráulico de, 83, 96,
17
en líquidos, 4,12-17
coeficiente de. 134. 139-141
critica,96, 100, 162, 173-177
en canales abiertos, 173-l'17
en tuberías. 96. 100
vefocidad, 226, 231-236
134,
tud, 5, 12
en fluidos compresibles, 5,
geométricamente semejantes, 236
homólogas, 226, 232, 236
eyes y constantes, 225-243
par en el eje,225,228
potencia de salida, 230,232,235-
1 1
Variaciones de presión, con la alti-
altura de, 73, 84-92, 135, 161, 229,
LZ5
factor de velocidad, 225,231-235
)5?,
flujo ccrmpresible en, 91,92, 108-
104-1
233-236
V, vertederos en, 135, 149-l5l
Váh'r,rla, tiempo de cierre de,
195,
217-220
Váh.ulas, pérdidas de carga en, 110,
tl8,
123,249
Vapor, de agua, 87, 141,246
efecto de cavitación por la, 141,
227
presión de, 3, 87, l4l,246
Variable, altura de carga,152-154
flujo, 71, 76, 152-156, 160, 162,
177-188
con contracción, 134,135, 151
de cipolleui, 135, 152
de pared gruesa, 163,187
factor m,135, 136, 150, 151
fórmulas para, 135
presas como, 136
rectangulares, 134, 135, 149-15I,
154
sin contracción, 134, 135,
15r. 154. 177
teoría fundamental, 149, 150
trapezoidales, 135, 152
149-
INDICE
Vertederos, triangulares, 135, 149151
velocidad de aproximación en,
135, 149-151
Verticales, componentes, de una
fiierua,22,29-32
Vértice forzado, 42, 45-48
Viscosidad, 2, 3, 7-10, 212,24
absoluta, 3, 8, 10, 212,246
cinemática, 3, 7,246, 247
de algunos líquidos, 246,247
del agua, 246,24X
dinámica, 3, 8-10, 212,246
fuerzas de, 32, 63-65, 67
273
Viscosidad, unidades de, 3,7,
Volumen específico, 2, 6,
Weber, número de, 52
7
8
SGHAUM'S OUTLINE SERIES
'
CÍII.IEGE PHYSIGS
Induding ó25 SOIVED PtOllEfrts
IAPIAGI IRAIISÍ(IR}IS
lditcd by
By MURRAY R. SPIEGEt, Ph.D..
P¡olossot ol Mdlh., R.nat.loa¡ Polfa.ah
Including 450 sOtVlD PROBI¡M!
CAREI W. von dcr |IERWE, Ph.D.,
?¡olotsq ol Pfitticr,
. COII.EGE CHEIÍISIRY
N.t
Yo¡h U¡ivc¡sil,
includins 175
including 385 SOIVED PROltEl/|s
ldiled by JEROME
fk¡t
1..
Yr. C0ttEGE MATllEfilATlCS
in<luding I85O SOTVED PROStEl/lS
CÍ¡IIEGE ATGEBRA
including I94O SOTVED PROBIEI
By MURRAY R. SPIEGEI, Ph.D..
P¡olctso¡ ol A,tolñ., l¡¡¡¡¡lo¡¡
Polt¡..h. lnt
P¡olosso¡
-
By ÍRANK AYRES, Jr., Ph.D..
P¡olcsso¡ ol rMot¡.norrcr, D;clitr¡od Collagc
srATtsTtcs
including 875 SOwED PROIIE¡/IS
PROBLETVIS
t75
P¡ol¿¡so¡
ol Molh.moti.t,
TEEOBACK
Diclinron Collcar
DITTEREl{TIAL EOUATI|lIIS
including 5óO SOIVED P¡OBlErt^S
*
8y' ftANK AYIES, Jr.,Ph.D.,
ol l¡ioth.ñoli.t, Dicli¿¡on Collcac
SET IHEORY end Related loPics
including 530 SOIVED PIOCIEMS
P¡olc¡sot
.
in<luding I0O SOLVED PROBTE¡,13
Wlll.lAM F. HUGHES, Ph'D.,
Bv'P¡olcsso¡
of fe<¡'
of Mcch. fns', Cotn'gi'
ond JOHN A. BRIGHTON, Ph.D., '¡st
Atsl. Prcl. ol Mecñ. f¡g., Penñs/lvon¡d S,oa. U
TIilITE MAIHE}IAIICS
in<luding 750 SOIVED PnOE[Err^S
By SEYMOUR l'IPSCHUTZ, Ph.D.,
Asto<, Prol. ol Molh.' lrñpl. Un¡vart¡lv
-
REII{FORCEII C(¡I{CRETE DESIGII
including 20O SOLVEO PtOAtErvtS
Bv N. J. EVERARD, MSCE, Ph.D.,
i'¡ol. ol Eng, /uech. & stru..', Ailingfot Slote Co,.
ond J. t. TANNER lll, MSCE,
MÍ¡DIR]I ATGEBRA
including 425 SOTVED P¡OBLEÍ\^S
Bv
' ftANK AYRES, Jr., Ph.D',
Proletsot
Molhomotics, Di.ftin¡on Coll.gc
ol
lcchnicol Con¡ullonl, ferot lndlttt¡.5
ilIATRICES
in<luding 340 SOIVED PnOltEl
By ÍRANK AYRES, Jr., Ph.D.,
P¡olesso¡ ol
llolh.ñot¡(r.
D¡G&in¡or Corl.9.
Asto<, Prcl, ol Mcch, Eng.,5or Jos. Stotc Coll.g€
frlACHll{E IIESIGN
including 320 SOTVED PROBLEI S
inrluding 20O
SOI.VED PtOBl.El S
FRANK AYRES, Jr., Ph.D.,
Prolctsot ol MolhcmoJics, Dr<kinton Coll.ge
GTIIERAL lflPf¡TÍ¡GY
including ó50 SOIVED PIOBIEI
8y SEYMOUR l.lPSCHUTZ, Ph.D.,
Asso., Prol.
ol
By MURRAY R. SPIEGEI, Ph.D.,
Prolestor ol ruoth., R.n¡t.loct
'
5
PolllÑh lntl,
including 925 SOIVED PnOllErl^S
MUIRAY R. SPIEGEI', Ph D.,
?¡olcttot ol ¡l'lofñ., Ion¡¡clort Polrja.h ld.l,
GOTPI,EX YARIABTES
Including ó40 SOTVED P¡OBl'El/tS
8v' lrtURIAY R. SPIEGEL, Ph.D.,
Prclouq otr ltloth', Ronueloc¡ PotllBh. t^ú.
.
ESTOS
TIIUIOS
BASIC E]IGIIIEERIilG EflUAII(|I{S
including r40O 8A5lC EOUAIIONS
w. F. HUGHES, E. w.9AYtORO, Ph.D.
Bv'P¡oles¡o¡¡
S
ADYff{CE0 CAICULUS
lv'
By HALl, HOTOWENKO, LAUGHLIN
P¡olessots ol M¿<honicol Eng., Purduc Un¡ve¡till
Mo¡h,, f¿mple Unive¡sill
YECT|¡R A]IATYSIS
including 480 SOI'VED PROBLE¡
lna.
MECHANICAT YIBRAII(¡I{S
including 225 SOTVED PROBtEl,ts
8y WlLLlAM W. SETO, B S. in M.E., M.S.,
S
PRÍIIECTIYE GEíIMETRY
by
& COi{TRflI SYSTEMS
intluding ó80 SOIVED PlOBtEl/tS
Bv J. J. DiSTEFANO lll, A. R. SIUBBERUD,
ond l. J. WlttlAMS, Ph.D.,
Engincc¡i¡g Dept., U^¡r.rt¡t ol Colil., ol L A.
t[Ul0 ¡rlECHlt{lCS and HYDRAUIICS
in<luding 475 SOTVED PROBIETI/|S
8v' RANATD V. Gll.ES,8.S., M.S. in C.E.,
Prcl, ol Civil Eng¡n..tiñg, D!.x.l l^tl. o, f..h.
tturD DYltAiilcs
Bv' SEYMOUT l'IPSCHUTZ, Ph.D.,
A¡¡oc. hol. ol Moth., lomplo lJnivc¡silv
-
ol Cin.inno¡i
intluding ¡óO SOLV:D PtOBtErflS
By EDWIN C. TOWENBERG, Ph.D.,
Prclctsot ol Er.c. Erg., Unir..tilt of N.bto¡lo
SOIVEO PROBtErvls
Bv' ÍRANK AYRES, Jr., Ph.D.,
Physict, U¡iv¿¡si¡Y
ELECTROI{IC CIRCU¡TS
ol Moth.ñolict, Uñiv.tsill of Circrñroli
GALCUIUS
including I
ol
induding 350 SOTVED PRO¡LEÍüS
Bv JOSEPH A. EDMINISTEn, M.S.E.E.
Asto<. P¡ol. ol Elcc. Ene., Univorsity ol Alron
Bv JOSEPH H. KlNDtE, Ph.D.,
.
P¡olctso¡
STREI{GTH OT MAIERIATS
including 430 SOLV€O PRO0lErl^s
8v Wll.l.lAM A. NASH, Ph.D.,
é¡olctso¡ ol Eng. Mqcho¡ict, Un¡r.ttiaf ol Flo¡ido
ETECTRIC GIRCUIIS
Bv MURRAY R. SPIEGE[, Ph.D.,
Prolcssot ol l,loth., l.n¡!.1o.. Poly¡a.h, tntl.
Ptole¡to¡
lo¡¡¡¡loor Polrl..h. lntt,
8y D. A. WELLS, Ph.D.,
flllAilcE
AIIATYTIC GE|ITIETRY
inrluding 345 SOIVED
¡l¡lolh.,
in<luding 275 SOwID PROBLEl,ts
ol,Uor[oaofi(r, Diclinron Collcac
including 500 SOIVED PROEIEMS
.
ol
tAG RAIIGIAI{ DYI{AMICS
By TRANK AYRES, Jr., Ph.D.,
0t
ol f och'
By MURRAY R. SPIEGEL, Ph.D',
including ó80 SOIVED PROBtErtts
ltATltEitAilGs
^tl.
THEflRETICAT MECHAIIIOS
Including 720 SOIV:D PtOBtlNrS
S
IRIGfll{(lMETRY
P¡oletso¡
|
EI{GIIIEERIlIG MECHAT{¡CS
inrluding 4ó0 5()tVED PIOBt:Mt
Bv' W. G. MctEAN, B.S. in E'E., M.S..
P¡olcs¡ot of Mocfionicr, Lolovclto Collcgo
ond E. W. NEISON, B.S. in M.E', M. Adn. E.,
€ngiaroring Sup..ri.o., Wa¡t..n ll..rt¡. Co.
By IRANK AYRES, Jr., Ph.D.,
Ptolcsso¡ ol Molhcmolict, Diclinron Coll.ga
.
SOTVED PtOBtEfYtt
By MINOR C. HAWK, H.od ot
ingi noot íng G¡ophi<t D.9¡., Co¡n.gi.
ROSENBERG, Ph.D.,
Ptolttto¡ ol Chañitl¡t, lJnfu.rt¡af ol Piattbu.glt
'
l^tl.
DESCRIPTIYE GEOiIETRY
-
ol Mech. Eng , Coráegi. Inst. ot l.ch.
ELEiIE}IIARY ATGEBRA
including 27o0 SOTVED PROBTE¡ S
Ph.D., lroollvn lcch' H'5
By BARNETT RICH,
PTAIIE GEllMETRY
including 850
SOI'VED PROSLE¡ S
By BARNETI RICH, Ph.D.,
Heod of Mo,h. Deot-.l¡ooklvn lcch. H.5.
TEST
IIEilIS I1{ EDUCATIOil
intluding 3¡O0 TESI lTEl S
l'. E. WAITON,Ph.D.,
8vG.J.MOUtY,Ph.D.,
'
prol.r¡oru ol Edu.otio¡, U^iv.?.ilt ol ,lioñ¡
SE ENCUENTRAN TAMBIEN EN VERSION ESPAÑOIA
EDITORIAL McGRAW-HILL |¡ATINOAMERtCANA. S.A.
APARTADO POSTAL 2036
COLON, REPUBLICA DE PANAMA
LIBROS McGRAW-HILL DE MEXTCO S.A. DE C.V.
APARTADO POSTAL 1O-771
MEXICO 10. D.F., MEXICO
91
575