Práctica N° 01 - Viscosidad

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA

MECÁNICA DE FLUIDOS

Práctica N°01PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

(Viscosidad Absoluta Experimental)

DOCENTE

Ing. José H. Longa Álvarez

RESPONSABLES

CHACÓN DÍAZ, Irwin Jonathan

AÑO/CICLO

Tercer año/Vacacional

FECHA

Enero de 2012

http://www.guioteca.com/mecanica-automotriz/files/2010/11/aceite-auto.jpg

Universidad Nacional de Cajamarca P.N°01

INTRODUCCIÓN

La mecánica de fluidos podría aparecer solamente como un nombre nuevo para una ciencia antigua en

origen y realizaciones, pero es más que eso, corresponde a un enfoque especial para estudiar el

comportamiento de los líquidos y los gases.

Los principios básicos del movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a través de los siglos XVI al

XIX como resultado del trabajo de muchos científicos como Da Vinci, Galileo, Torricelli, Pascal, Bernoulli,

Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds y otros que hicieron interesantes aportes teóricos a lo que se

denomina hidrodinámica. También en el campo de hidráulica experimental hicieron importantes

contribuciones Chezy, Ventura, Hagen, Manning, Pouseuille, Darcy, Froude y otros, fundamentalmente

durante el siglo XIX.

Hacia finales del siglo XIX la hidrodinámica y la hidráulica experimental presentaban una cierta rivalidad. Por

una parte, la hidrodinámica clásica aplicaba con rigurosidad principios matemáticos para modelar el

comportamiento de los fluidos, para lo cual debía recurrir a simplificar las propiedades de estos. Así se

hablaba de un fluido real. Esto hizo que los resultados no fueran siempre aplicables a casos reales. Por otra

parte, la hidráulica experimental acumulaba antecedentes sobre el comportamiento de fluidos reales sin dar

importancia a al formulación de una teoría rigurosa.

La Mecánica de Fluidos moderna aparece a principios del siglo XX como un esfuerzo para unir estas dos

tendencias: experimental y científica. Generalmente se reconoce como fundador de la mecánica de fluidos

modela al alemán L. Prandtl (1875-1953). Esta es una ciencia relativamente joven ala cual aun hoy se están

haciendo importantes contribuciones.

La referencia que da el autor Vernard J.K acerca de los antecedentes de la mecánica de fluidos como un

estudio científico datan según sus investigaciones de la antigua Grecia en el año 420 a.C. hechos por Tales de

Mileto y Anaximenes; que después continuarían los romanos y se siguiera continuando el estudio hasta el

siglo XVII.

Mecánica de Fluidos – Práctica De Viscosidad


OBJETIVOS Y COMPETENCIAS

Calcular la viscosidad absoluta de diversos lubricantes a modo experimental.

Comparar los resultados de viscosidad absoluta con los suministrados por los fabricantes.

Comparar los valores experimentales de viscosidad con los que se encuentran en los textos de la

materia.

Descripción breve y concisa de los diferentes procedimientos realizados en la práctica.

JUSTIFICACIÓN

Tomando la gran importancia y relevancia del concepto de viscosidad absoluta en la rama de la mecánica de

fluidos, buscamos reproducir un fenómeno en el cuál esta se vea reflejada, sea susceptible a ser medida y/o

calculada mediante las variables que su fórmula teórica implica, para que posteriormente sea comparable

con los valores teóricos y comerciales que se nos proporcionan. De este modo relacionaremos la teoría con

la práctica, del mismo modo como lo implica la ciencia.



I. ALCANCES

LA VISCOSIDAD

La viscosidad es la principal característica de la mayoría de los productos lubricantes. Es la medida de la

fluidez a determinadas temperaturas.

Si la viscosidad es demasiado baja el film lubricante no soporta las cargas entre las piezas y desaparece

del medio sin cumplir su objetivo de evitar el contacto metal-metal.

Si la viscosidad es demasiado alta el lubricante no es capaz de llegar a todos los intersticios en donde es

requerido.

Al ser alta la viscosidad es necesaria mayor fuerza para mover el lubricante originando de esta manera

mayor desgaste en la bomba de aceite, además de no llegar a lubricar rápidamente en el arranque en

frio.

La medida de la viscosidad se expresa comúnmente con dos sistemas de unidades SAYBOLT (SUS) o en

el sistema métrico CENTISTOKES (CST).

Como medida de la fricción interna actúa como resistencia contra la modificación de la posición de las

moléculas al actuar sobre ellas una tensión de cizallamiento.

La viscosidad es una propiedad que depende de la presión y temperatura y se define como el cociente

resultante de la división de la tensión de cizallamiento (t ) por el gradiente de velocidad (D). m =t / D

Con flujo lineal y siendo constante la presión, la velocidad y la temperatura.

Afecta la generación de calor entre superficies giratorias (cojinetes, cilindros, engranajes). Tiene que ver

con el efecto sellante del aceite. Determina la facilidad con que la maquinaria arranca bajo condiciones

de baja temperatura ambiente el agua.

A. EXPLICACIÓN DE LA VISCOSIDAD

Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma

de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa). En

este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto

más cuanto menor sea su rigidez.



Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado

de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como

muestra la figura (c).

Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial.

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es

su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si

arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de

borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya

que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas

superiores fluyen con facilidad. Igualmente, si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con

agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el

centro también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan vueltas los trocitos de

corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad,

disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara.

Ejemplo de la viscosidad de la leche y el agua. Líquidos con altas

viscosidades no forman salpicaduras.

Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en

movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal

en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por

ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del

mismo permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la

gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.


http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Solido_deformacion_tangencial.svg

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Drop_0.jpg


Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo sería también, lo que

significa que éstas no podrían moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir,

estaríamos ante un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un

superfluido que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no estén

llenos (véase Helio-II).

La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último

caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.

B. UNIDADES

Medidas de la viscosidad

La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado

coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad:

Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como η o μ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa·s]

= [kg·m-1·s-1] ; otras unidades:

1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1]

Coeficiente de viscosidad cinemático, designado como ν, y que resulta ser igual al cociente

entre el coeficiente de viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en

el SI: [ν] = [m2.s-1]. En el sistema cegesimal es el stokes (St).

C. ÍNDICE DE VISCOSIDAD

Los cambios de temperatura afectan a la viscosidad del lubricante generando así mismo cambios en

ésta, lo que implica que a altas temperaturas la viscosidad decrece y a bajas temperaturas aumenta.

Arbitrariamente se tomaron diferentes tipos de aceite y se midió su viscosidad a 40*C y 100*C, al

aceite que sufrió menos cambios en la misma se le asignó el valor 100 de índice de viscosidad y al

que varió en mayor proporción se le asignó valor 0 (cero) de índice de viscosidad. Luego con el

avance en el diseño de los aditivos mejoradores del índice de viscosidad se logró formular

lubricantes con índices mayores a 100.

Intervalos de viscosidad permisibles para las clasificaciones de lubricantes de las

SAE



Intervalo de Viscosidades (centistokes)

A 0° F A 210° F

Tipo de

lubricante

Número de viscosidad

SAE

Mínimo Máximo Mínimo Máximo

Carter del

cigüeñal

5W

10W

20W

20

30

40

50

1300

2600

1300

2600

10500

3.9

3.9

3.9

5.7

9.6

12.9

16.8

9.6

12.9

16.8

22.7

Trasmisión y eje 75

80

90

140

250

15000

15000

100000

75

120

200

120

200

Fluido de

transmisión

automática

Tipo A 39b 43b 7 8.5

D. LEY DE NEWTON DE LA VISCOSIDAD

Se puede definir un fluido ideal como aquel en el cual no existe fricción entre sus partículas, o sea sin

viscosidad (µ=0). Un fluido como éste solamente es una idealización, puesto que todos los fluidos, de

una forma u otra, son viscosos y compresibles.

En un fluido real, siempre actúan fuerzas tangenciales o cortantes cuando existe movimiento, dando

lugar a las fuerzas de fricción y que se debe a la propiedad de los fluidos llamada viscosidad.

Considerando un fluido (líquido o gas) alojado entre dos grandes placas planas y paralelas, de área A,

separadas por una distancia muy pequeña "y"



Suponiendo que el sistema está inicialmente en reposo, (a); en el tiempo "t=0", la lamina inferior se

pone en movimiento en la dirección del eje X, con una velocidad constante "v", (b) Conforme

transcurre el tiempo, (c), el fluido gana cantidad de movimiento y, finalmente se establece el perfil

de velocidad en régimen estacionario, (d). Una vez que se alcanza este estado estacionario de

movimiento, es preciso aplicar una fuerza constante F para conservar el movimiento de la placa

inferior. Esta fuerza esta dada por F como se ve en la siguiente expresión, si se supone flujo laminar.

Donde µ es la constante de proporcionalidad, llamada viscosidad del fluido.

El esfuerzo cortante que se ejerce en la dirección x, sobre la superficie del fluido-fuerza por unidad

de área- situada a una distancia constante y, por el fluido existente en la región donde y es menor,

se designa por τxy



Esta es la ley de Newton de la viscosidad y los fluidos que la cumplen, se denominan fluidos

newtonianos. Todos los gases y la mayoría de los líquidos sencillos se comportan de acuerdo a esta

ecuación.

En el ejemplo anterior, vale la pena remarcar un detalle importante. El fluido en contacto

con las superficies tiene la misma velocidad que estas. Esto ocurre en todas las

configuraciones en las que intervenga un fluido que tenga viscosidad. A esta condición de la

velocidad del fluido en estas zonas, se le llama condición de no deslizamiento.

Todos los fluidos tienen cierta viscosidad, pero existen algunos casos en los que esta la

podemos considerar tan pequeña que se desprecia, dando paso a un tipo muy especial de

fluido no compresible a los que se llama fluidos ideales, en los que se considera que la

viscosidad es nula.

Fluidos Ideales: Gases a alta velocidad o en zonas alejadas de las condiciones de contorno

(paredes u objetos) donde no hay gradiente de velocidad o este es muy débil. Esta

suposición es muy útil y empleada en el estudio de flujos compresibles, alta velocidad (M >

1) y sobre todo en aeronáutica.

La viscosidad se comporta de forma muy diferente en gases y en líquidos en función de las

variaciones de presión y temperatura a la que someta el fluido.

La viscosidad es básicamente función de dos parámetros, la presión y la temperatura:

P influye poco, tan solo en variaciones muy grandes de la presión tiene que ser considerada.

En los gases tiene mucha más influencia que en los líquidos.

Gases y Líquidos:

T tiene mucha influencia:

Gases:

Líquidos:

E. TIPOS DE VISCOSIDAD

a. VISCOSIDAD ABSOLUTA O DINÁMICA. Es la fuerza tangencial por unidad de área, de los planos

paralelos por una unidad de distancia, cuando el espacio que los separa esta lleno con un fluido y

uno de los planos se traslada con velocidad unidad en su propio plano con respecto al otro

también denominado viscosidad dinámica; coeficiente de viscosidad. La unidad de viscosidad



dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa.s) o también newton segundo

por metro cuadrado (N.s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms): Esta unidad se conoce

también con el nombre de poiseuille(Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la

misma que el poise (P) que en el sistema CGS de unidades tiene dimensiones de dina segundo por

centímetro cuadrado o de gramos por centímetro cuadrado. El submúltiplo el centipoise (cP), 10-

2 poises, es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica dado que la mayoría de

los fluidos poseen baja viscosidad. La relación entre el pascal segundo y el centipoise es:

1Pa.s = 1 N.s/m2 = 1 kg/(m.s) = 103 cP

1cP = 10-3 Pa.s

El gradiente de velocidad se define como: y es una medida de cambio de velocidad,

conocida también como rapidez de corte. Como la tensión de corte es directamente proporcional

al gradiente de velocidad, podemos establecer la siguiente expresión matemática, conocida como

la Ley de Newton para la viscosidad:

µ es una constante de proporcionalidad conocida como viscosidad dinámica del fluido.

b. VISCOSIDAD CINEMÁTICA. Es la razón de viscosidad a densidad de masa. En el sistema

internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m2/s). La

unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones de centímetro cuadrado por

segundo y el centistoke (cSt), 10-2 stokes, que es el submúltiplo más utilizado.

1m2/s = 106 cSt

1cSt = 10-6 m2/s

La expresión matemática para la viscosidad cinemática es:

(2) µ es la viscosidad dinámica y es la densidad del fluido.

F. VISCOSIDAD DE LOS ACEITES

Los aceites presentan notables diferencias en su grado de viscosidad o fluidez, influyendo mucho

estas diferencias en algunas de sus aplicaciones. El grado de viscosidad de los aceites tiene

importancia en los aceites destinados a arder y los utilizados como lubricantes. En los primeros

influye la viscosidad de modo que los aceites fluidos ascienden fácilmente por capilaridad en las

mechas de las lámparas, mientras que los muy viscoso o poco fluidos requieren disposiciones

especiales para conseguir que llegue a la llama en la unidad de tiempo suficiente cantidad de

combustible. Cuando se emplea aceites como lubricantes, la materia grasa debe tener consistencia

apropiada para impedir el contacto inmediato de las superficies que frotan entre sí impidiendo con

ello se desgasten; para lograr esto conviene que la materia grasa no sea demasiado fluida ni

tampoco demasiado viscosa.



G. CLASIFICACIÒN DE LOS ACEITES

La clasificación de los aceites atendiendo a su velocidad, generan en la etiqueta de los envases una

serie de siglas, acompañados por unos dígitos, identificando el grado de viscosidad del lubricante,

que se refiere a su temperatura sin añadir datos alguno de sobre atrás apreciaciones o condiciones.

El índice de viscosidad representa la tendencia más o menos que se espera a medida que se enfría o

se calienta. Los aceites multigrados con base sintéticos se obtienen haciendo una mezcla de aceites

de síntesis de baja graduación SAE y de aceites mineral de altas viscosidad.

1. Clasificación SAE: La Sociedad de Ingenieros de Automotores de EE.UU (SAE) clasificó a los

aceites según su viscosidad adoptando como temperatura de referencia 100 grado

centígrado y manteniendo la viscosidad en centistoke (cst). Se dividió el rango total de

viscosidades de los aceites en grupos arbitrarios designados por los siguientes números: 20,

30, 40 y 50, originalmente existió un grado 60 que luego fue suprimido. Esta clasificación no

tuvo en cuenta que un aceite SAE 20 en condiciones de baja temperatura aumentaba

considerablemente su viscosidad no siendo apto para una operación correcta en climas fríos.

Surgen así los aceites tipo W (winter: invierno) que cubrirían esta deficiencia. Se amplió

entonces la clasificación incorporando los grados SAE 5W, SAE 10W, SAE 20W a los ya

existentes.

Estas primeras clasificaciones sólo tomaron en cuenta la viscosidad del aceite,

posteriormente con el advenimiento de los aditivos mejoradores se incorporan siglas que

caracterizan al aceite también por sus propiedades especificas (ejemplo: HD SAE 30, SAE 20



S1, etc.) como tener capacidad detergente-dispersante, propiedades antidesgaste,

propiedades anticorrosivas, etc.

Clasificación SAE de viscosidad de aceites para motor (SAE J306, DIC 96)

Grado

SAE

Viscosidad

Max. (cP)

Arranque en

frío a la

temperatura

indicada en °C

Viscosidad Max.

(cP) Bombeo a

baja temp.

s/esfuerzo de

fluencia a la

Temp. indicada

en °C

Viscosidad en

cSt a 100ºCViscosidad alta

temperatura alta

tasa de corte (cP) a

150ºC y 106smin max

0W 3250 a -30 60000 a -40 3,8 - -

5W 3500 a -25 60000 a -35 3,8 - -

10W 3500 a -20 60000 a -25 4,1 - -

15W 3500 a -15 60000 a -25 5,6 - -

20W 4500 a -10 60000 a -20 5,6 - -

25W 6000 a -5 60000 a -15 9,3 - -

20 - -5,6 menor

que 9,32,6

30 - -9,3 menor

que 12,52,9

40 - -12,5 menor

que 16,32,9 (*)

40 - -12,5 menor

que 16,33,7 (**)

50 - -16,3 menor

que 21,93,7



60 - -21,9 menor

que 26,13,7

Nota: 1 cP = 1 mPa x s; 1cSt = 1 mm2/s

(*) Los Grados 0w/40, 5w/40, 10w/40

(**) Los Grados 15w/40, 20w/40, 25w/40, 40

A. Aceites multigrado. Con el uso de aditivos mejoradores de índice de viscosidad y

partiendo de bases refinadas es posible formular aceites cuya viscosidad a altas y

bajas temperaturas le permiten cumplir con los requerimientos del servicio. De esta

manera se obtienen aceites de características SAE 30 a 100 ºc y SAE 10W a -20ºc, son

los denominados “multigrado” generalmente designados SAE 10W30 o similares.

Las ventajas de usar aceites multigrados son:

Facilidad de arranque en frío.

Rápida entrada en régimen térmico del motor.

Ahorro de baterías y sistemas de arranque.

Adecuada viscosidad en todo el rango de temperatura.

B. Aceites Monogrados. En la categoría de los aceites monogrados, distinguidos por la

sigla SAE (Society of Automotive Engineers, por su sigla en inglés), o en español

“Sociedad de Ingenieros del Automóvil”, especifican que son aceites de una sola

viscosidad de trabajo, es decir, el SAE 40 y

SAE 50.

El rango de temperatura parte en una

escala más alta: en frío comienzan desde

los 10ºC y 20ºC hacia arriba

respectivamente. Este aceite es utilizado

en muchas ocasiones como aceite de

relleno.

2. Clasificación de viscosidad ISO para industriales aceites lubricantes. A lo largo del tiempo se

ha adoptado diferentes siglas (ASTM, DIN, etc.) para clasificar los Aceites Lubricantes


http://www.guioteca.com/mecanica-automotriz/files/2010/11/aceite-nivel.jpg


Industriales por su viscosidad medida en diversas unidades, llevando a la necesidad del uso

de tablas de conversión para pasar de un sistema a otro.

Esta situación generó en los Institutos de Normalización de los piases miembros de la

Organización Internacional de Estandarización (ISO) el deseo de uniformar criterios para

crear un único sistema de clasificación.

Sistema ISO de clasificación según la viscosidad para aceites industriales

Grado de

viscosidad

Viscosidad

Cinemática

media

Límites de

Viscosidad

Cinemática en cSt

@ 40 ºC

Mínima Máxima

ISO VG 2 2,2 1.98 2,42

ISO VG 3 3,2 2,88 3,52

ISO VG 5 4,6 4,14 5,03

ISO VG 7 6,8 6,12 7,48

ISO VG 10 10,0 9,00 11,00

ISO VG 15 15,0 13,50 16,50

ISO VG 22 22,0 19,80 24,20

ISO VG 32 32,0 28,80 35,20

ISO VG 46 46,0 41,40 0,60

ISO VG 68 68,0 61,20 74,80

ISO VG

100100,0 90,00 110,00

ISO VG

150150,0 135,00 165,00

ISO VG

220220,0 198,00 242,00

ISO VG

320320,0 288,00 352,00

ISO VG 460,0 414,00 506,00



460

ISO VG

680680,0 612,00 748,00

ISO VG

1.0001.000,0 900,00 1100,00

ISO VG

1.5001.500,0 1.350,00 1650,00

Nota: La clasificación ISO corresponde a la norma COVENIN 1121

Este esfuerzo conjunto permitió el nacimiento de la clasificación ISO para Aceites Lubricantes

Industriales, con las siguientes características:

Posee 18 grados de viscosidad entre 2 y1500 centistokes (cst) a 40 ºc, cubriendo la

totalidad del rango de viscosidad, desde los aceites más livianos a los mas pesados.

Cada grupo se designa el número a su viscosidad cinemática media.

Cada grupo representa un intervalo de viscosidad generado apartar de su viscosidad

cinemática media +/- 10% de este valor.

Cada viscosidad cinemática media es aproximadamente 50% mayor a la

correspondiente al grado anterior.

3. Clasificación API (Instituto de Petróleo Americano) de calidad de los aceites para motor.

Motores a gasolina Algunas designaciones son: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH. El primero

usado para motores a gasolina y Diesel.

Sistema de clasificación API

Clasificación

de servicio

API

Gasolina

Servicio

API

previo

Descripción de los

fabricantes de equipos y

especificaciones militares

relacionadas

Gasolina SA ML Aceite mineral puro

SB MM Aceite inhibido (1930)

SC MS (1964)

Garantía de servicio para

motores a gasolina (1964-

1967)

SD MS (1968) Garantía de servicio para




1971)

SE



1980)/MIL-L-46152 y MIL-

L46152A

SF



1988)/MIL-L-46152B

SG



1992)/ MIL-L-46152D

SH



19996)

SJ



2000)

SLGarantía de servicio para

motores a gasolina (2001)

II. MATERIALES Y MÉTODOS

Viscosímetro

Cronómetro Digital

Para calcular el tiempo en que demora la placa móvil en desplazarse por la placa fija.

Aceites lubricantes de diferentes viscosidades.



Metro o wincha

Para medir distancias necesarias como el largo de la placa fija y de la placa móvil.

Vernier

Para medir los radios de la placa móvil.

Transportador

Para medir el ángulo de inclinación del instrumento.

Gasolina

Para limpiar rápidamente los instrumentos con aceite.

Franela

III. METODOLOGÍA Y PROCEDIMENTO

1. Los lubricantes seleccionados para el trabajo fueron 3, estos son:

a. Hidrolina

b. Aceite para motor petrolero SAE 15W-40



c. Aceite para motor Gasolinero SAE 40

2. Procedemos a hacer las siguientes mediciones:

a. En la placa fija:

Largo con la wincha.

b. En la placa móvil:

Diámetro interno y externo con el Vernier.

Largo con la wincha.

3. Trabajamos con la Hidrolina.

a. Lubricamos en instrumento (en la placa fija) con la hidrolina.

b. Ubicamos el instrumento en ángulo de 30°

Dejamos desplazarse a la placa móvil por acción de la gravedad de arriba abajo, midiendo el tiempo que tarda el recorrido. Apuntamos los datos para el trabajo de cálculo. Este dato es tomado 10 veces para obtener un promedio mucho más exacto.

c. Ubicamos el instrumento en ángulo de 45°




d. Ubicamos el instrumento en ángulo de 60°


4. Lavamos el instrumento con gasolina.

5. Trabajamos con el Aceite para motor petrolero SAE 15W – 40

a. Lubricamos en instrumento (en la placa fija) con el Aceite para motor petrolero SAE 15W – 40.






7. Trabajamos con el Aceite para motor gasolinero SAE 40

a. Lubricamos en instrumento (en la placa fija) con el Aceite para motor gasolinero SAE 40







IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A. TOMA DE DATOS

1. Instrumento:

Los siguientes datos tomados del instrumento nos serán de gran importancia más adelante para el cálculo de distancia, volumen, masa y peso del mismo.

VISCOCÍMETRO

Largo del tubo guía (m) 0.40

Largo de la placa móvil (m) 0.146

Diámetro mayor (m) 0.038

Diámetro menor (m) 0.025

Densidad del acero ((Kg/m3) 7800

Con el largo del tubo guía y el largo de la placa móvil podemos obtener la distancia recorrida por la placa móvil mediante la siguiente expresión:

Largo deltubo guía−Largode la placamóvil=Distanciarecorrid a por la placamóvil

Con los datos anteriores, llegamos a:

Distancia recorrida (m) 0.254

2. Hidrolina:

Se procedió a hacer el recorrido de la placa fija con la placa móvil con ayuda de este lubricante. Se contabilizaron un total de 10 recorridos por cada una de las tres pendientes diferentes (30°, 45° y 60°), centrándonos en el tiempo demorado.

HIDROLINAÁNGULOS 30 45 60

N°DISTANCIA

(metros)TIEMPO

(segundos)TIEMPO

(segundos)TIEMPO

(segundos)1 0.254 0.91 0.69 0.532 0.254 0.95 0.67 0.543 0.254 0.97 0.68 0.564 0.254 0.96 0.66 0.535 0.254 0.96 0.64 0.556 0.254 0.94 0.65 0.577 0.254 0.96 0.64 0.538 0.254 0.98 0.63 0.549 0.254 0.96 0.67 0.55

10 0.254 0.97 0.65 0.53TIEMPO

PROMEDIO (s) 0.96 0.66 0.54



3. Aceite para motor diesel SAE 15W-40:


ACEITE PETRÓLEO / SAE 15W – 40ÁNGULOS 30 45 60

N° DISTANCIA(metros)

TIEMPO(segundos)

TIEMPO(segundos)

TIEMPO(segundos)

1 0.254 1.02 0.66 0.412 0.254 1.03 0.68 0.463 0.254 1.02 0.67 0.454 0.254 1.10 0.68 0.485 0.254 1.02 0.63 0.506 0.254 1.05 0.65 0.467 0.254 1.08 0.63 0.478 0.254 1.07 0.64 0.489 0.254 1.06 0.66 0.4510 0.254 1.03 0.68 0.47

TIEMPO PROMEDIO (s) 1.05 0.66 0.46

4. Aceite para motor a gasolina SAE 40:


ACEITE GASOLINA / SAE 40ÁNGULOS 30 45 60

N° DISTANCIA(metros)

TIEMPO(segundos)

TIEMPO(segundos)

TIEMPO(segundos)

1 0.254 0.97 0.75 0.622 0.254 0.96 0.78 0.653 0.254 1.02 0.71 0.694 0.254 1.01 0.78 0.705 0.254 0.99 0.76 0.656 0.254 0.98 0.79 0.677 0.254 1.03 0.79 0.678 0.254 1.02 0.79 0.669 0.254 0.98 0.77 0.64

10 0.254 1.01 0.76 0.65TIEMPO

PROMEDIO (s) 1.00 0.77 0.66



B. TRABAJO DE GABINETE

La finalidad del experimento realizado es determinar la viscosidad absoluta mediante la relación que existe entre el tiempo empleado por la placa móvil para recorrer cierta distancia con una superficie conocida, todo ello relacionado mediante la siguiente expresión matemática:

μ= F .YV móvil . Acontacto

… (0)

Donde:

μ :viscosidad absolutaF : fuerzaY :espesor dellubricanteV móvil : velocidad de la placamóvil

Acontacto : áreade la placamóvil

1. Cálculo de la fuerza:

a) Cálculo del peso: Calculamos el peso mediante la expresión:

Wmóvil=mmóvil . g… (1)

Donde:

Wmóvil : peso de lmóvilmmóvil :masadelmóvilg : fuerzade la gravedad=9.82m

s2

No conocemos la masa del móvil, pero identificamos que está fabricado de acero, y mediante la densidad de este podemos hallarla por la expresión:

ρac ero=maceroV acero

=mmóvilV móvil

=7800 Kgm3

⇒mmóvil=7800Kg

m3.V móvil…(2)

Donde:

ρacero :densidad del acero=7800Kg

m3mmóvil :masadelmóvilV móvil : volumendelmóvil

El volumen del móvil es obtenido mediante el diámetro externo e interno tomados durante la experiencia con ayuda del vernier:

VISCOCÍMETRO




Diámetro mayor (m) 0.038

Diámetro menor (m) 0.025

Y vendrá dado mediante la expresión:

V móvil=π . (D2−d2 ). h

4…(3)

Donde:

V móvil : volumendelmóvilD :Diámetromayord :Diámetromenor

h :Largo de la placamóvil

Remplazamos los valores de la tabla en la fórmula (3) y obtenemos:

V móvil=π . (0.0382−0.0252 ) .0 .146m3

4V móvil=9.391 .10

−5m3… (4)

Remplazamos (4) en (2):

mmóvil=7800Kg

m3.V móvilmmóvil=7800

Kg

m3.9.391.10−5m3mmóvil=0.732Kg…(5)

Remplazamos (5) en (1):

Wmóvil=mmóvil . gWmóvil=mmóvil .9.82m

s2Wmóvil=0.732Kg .9 .82

m

s2Wmóvil=7.188N…(6)

Ahora a través del Diagrama de Cuerpo Libre:

Observamos las fuerzas: N, W, F1 y F2:

Donde F1 y F2 son componentes de W y vienen

dadas por:

F1=Wmóvil .sinαF2=Wmóvil .cos α

Además:

F2=N ,entonces se anulan.



Por lo tanto la fuerza que produce el

movimiento es y viene dada por la expresión:

F1=Wmóvil .sinα …(7)

Remplazamos (6) en (7) y desarrollamos la tabla: F1=Wmóvil .sinα

α° sen α Wmóvil(N) F1(N)

30 0.500 7.188 3.59445 0.707 7.188 5.08360 0.866 7.188 6.225

…Estos datos serán nombrados como (A), para cada ángulo.

2. Espesor del Lubricante:

Estimamos y asumimos este dato como:

Y=1mm=10−3m…(B)

3. Cálculo de la Velocidad de la placa móvil:

Como ya tenemos entendido la velocidad es definida como la distancia recorrida en una unidad de tiempo, entonces:

V móvil=DT

Donde:

V móvil : velocidad delmóvilD :DistanciarecorridaT :Tiempo promed io empleado

Con los datos obtenidos en la experimentación:

HIDROLINA

α Distancia (m)

Tiempopromedio

(s)

Velocidad(m/s)

30 0.254 0.956 0.26645 0.254 0.658 0.38660 0.254 0.543 0.468

ACEITE PETRÓLEO / SAE 15W – 40

α Distancia (m)

Tiempopromedio

(s)

Velocidad(m/s)

30 0.254 1.048 0.242



45 0.254 0.658 0.38660 0.254 0.463 0.549

ACEITE GASOLINA / SAE 40

α Distancia (m)

Tiempopromedio

(s)

Velocidad(m/s)

30 0.254 0.997 0.25545 0.254 0.768 0.33160 0.254 0.660 0.385

A cada resultado de la columna de velocidad se considerará como (C).

4. Cálculo del Área de contacto de la Placa móvil:

Para el cálculo de esta área de contacto trabajaremos con el diámetro interno y la longitud de la placa móvil, entonces:

Acontacto=C interna x Lmóvil

Acontacto=(π Di ) . (Lmóvil )…(8)

Donde:

Acontacto : áreade contactoC interna :Circunferencia internade la placamóvil

Lmóvil :Longitud de la placamóvi lDi :Diámetro Interno

Con los datos tomados del instrumento, remplazamos en (8):

VISCOCÍMETRO


Diámetro interno (m) 0.025

Acontacto=(π Di ) . (Lmóvil )Acontacto=(π .0 .025m ) . (0.146m )Acontacto=0.0115m2…(D)

5. Cálculo de la Viscosidad Dinámica:

Remplazamos los valores de (A), (B), (C) y (D) en (0):

μ= F .YV móvil . Acontacto

… (0)

Los resultados son presentados en el siguiente punto por medio de una tabla de resultados.



C. Resultados

RESULTADOS

LUBRICANTE ÁNGULO F (N) Y(m) Vmóvil (m/s) Acontacto (m2) VISCOSIDADDINÁMICA

μpromedio

Hidrolina

30 3.5940.00

1 0.266 0.0115 1.175 1.159

455.083 0.00

10.386 0.0115

1.145

60 6.225 0.001 0.468 0.0115 1.157

P - SAE 15W - 40

30 3.5940.00

1 0.242 0.0115 1.291 1.141

455.083 0.00

10.386 0.0115

1.145

60 6.2250.00

1 0.549 0.0115 0.986

G - SAE 40

303.594 0.00

10.255 0.0115

1.226 1.322

45 5.083 0.001 0.331 0.0115 1.335

60 6.225 0.001 0.385 0.0115 1.406

D. Discusión

1.050

1.100

1.150

1.200

1.250

1.300

1.350

VISCOSIDAD (N.s/m2) a 20°C

Hidrolina P - SAE 15W - 40 G - SAE 40

Luego de la experiencia y los cálculos necesarios, ya con los resultados podemos observar los diferentes valores de viscosidad para los lubricantes sometidos a prueba. Llegamos a percatarnos que el lubricante para motor de gasolina (SAE – 40) es más viscoso que su semejante para motor petrolero (SAE 15W-40). Con respecto a la hidrolina, según los datos arrojados, vemos que cuenta con un valor de viscosidad menor a G-SAE 40 y un tanto mayor a P-SAE 15W-40. Todas estas pruebas se asume que son realizadas a una temperatura de 20°C, es decir, a temperatura ambiente.



CONCLUSIONES Los diversos lubricantes a una misma condición presentan valores de viscosidad dinámica diferentes.

La función del aceite es lubricar y proteger el motor, generando una película separadora de las

partes móviles y disminuyendo así el desgaste.

Se analizó el comportamiento de dos fluidos de uso comercial con ayuda del dispositivo construido.

La experiencia presento un margen de error aceptable, al comparar las viscosidades experimentales

con las viscosidades teóricas suministrada por los fabricantes.

RECOMENDACIONES Mayor cantidad de instrumentos para la agilización del trabajo práctico de las asignaturas. Mejoramiento del laboratorio de mecánica de fluidos.

CUESTIONARIO

1. ¿Por qué es necesario conocer la viscosidad de una sustancia?La viscosidad es la propiedad más importante de los fluidos, y por tanto esta requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. Esta es la resistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un mínimo de esfuerzo cortante. La viscosidad de un fluido depende de su temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario. Existen diferentes formas de expresar la viscosidad de un fluido, pero las más importantes son las siguientes: viscosidad absoluta o dinámica, cinemática, Saybol, Redwoor.

La viscosidad es una propiedad cuya importancia radica en que determina el comportamiento, en cuanto al movimiento, que puede presentar un fluido bajo ciertas condiciones, por ejemplo de presión y temperatura. Un fluido puede ser muy viscoso y moverse con dificultad, como por ejemplo la melaza; o puede ser poco viscoso y moverse con facilidad, como por ejemplo el aire y el agua, los cuales con frecuencia son objeto de interés en ingeniería.

2. Explique algunos métodos analíticos y/o gráficos para estimar la viscosidad de una sustancia.A. Construcción del viscosímetro de cilindros concéntricos

Para la construcción del viscosímetro se emplearon diversos materiales. Los cilindros interno y externo, las tapas y las poleas fueron construidos de aluminio por la facilidad del maquinado.



Partes componentes del dispositivo construido.

También se empleó un balero o rodamiento comercial automotriz de 0.006m de diámetro interno, el cual se localiza en la tapa de la copa del viscosímetro para disminuir la fricción y permitir una mejor estabilidad de rotación. La cuerda utilizada fue de cáñamo de 1.3m de longitud, que por su resistencia y reducida elongación bajo tensión permite disminuir los errores introducidos por la misma. El porta pesas empleado fue construido con una barra de latón comercial de 0.003m de diámetro, al cual se le fijó una base de nylon maquinable. La cubierta exterior se realizó a partir de un tubo de PVC de 0.041m de diámetro externo, tiene una ranura rectangular de 0.0185m de ancho por 0.101m de alto, para permitir un mejor asentamiento de las pesas. El viscosímetro fue fijado en un soporte vertical mediante un brazo de sujeción.

La velocidad del porta pesas fue determinada midiendo el tiempo en que éste recorre la distancia h utilizando un sistema de fotoceldas acoplado a un cronómetro digital marca Phywe. No obstante, estas velocidades pueden determinarse si se mide el tiempo que tarda en recorrer el portapesas una distancia conocida con la ayuda de un cronómetro manual, lo cual bajaría aún más el costo del dispositivo experimental.

Montaje del viscosímetro de cilindros concéntricos.

Las dimensiones de las componentes del viscosímetro construido se enlistan en la tabla I.



TABLA I. Dimensiones del viscosímetro construido.

B. Experimentos empleando el viscosímetro de cilindros concéntricos.

El fluido estudiado fue glicerina marca Reproquifin PQF como fluido newtoniano (aunque también puede emplearse un aceite vegetal o sintético). El procedimiento fue el siguiente: se vertió una cantidad de fluido en la copa del viscosímetro de tal forma que al introducir el cilindro interno la longitud L estuviera totalmente cubierta.

Posteriormente, se enrolló la cuerda en la polea de radio r hasta que el porta pesas quedó por debajo de la polea de radio ra. La fotocelda se colocó aproximadamente 1m por debajo de la polea. Esto con el fin de asegurarse que el porta pesas alcance una velocidad terminal. Se dejó descender libremente la porta pesas y se registró el tiempo que tarda en recorrer la distancia h al pasar por la fotocelda. Se incrementó la masa en el porta pesas y se repitió el procedimiento descrito. Con las

ecuaciones: y se calcularon los valores de rapidez de deformación y esfuerzo, respectivamente, para generar la curva de flujo.

RESULTADOS. Los experimentos con la glicerina se llevaron a cabo a una temperatura ambiente de T=19ºC, temperatura que fue medida después de cada dato experimental. Los datos obtenidos se presentan en la tabla II.

TABLA II. Datos experimentales obtenidos para la glicerina utilizando el viscosímetro



En la figura, se muestra la curva de flujo obtenida para este fluido. Se puede ver que la relación que existe entre el esfuerzo de corte y la rapidez de deformación es lineal en todo el intervalo que se presenta, lo que indica que este fluido tiene un comportamiento newtoniano y puede representarse

por la ecuación: . Comparando esta ecuación constitutiva con la ecuación de ajuste de los datos experimentales, se tiene que la viscosidad para este fluido es igual a η=2.100Pas, este valor se comparó con el de η=2.13Pas obtenido empleando un viscosímetro comercial marca Brookfield Modelo LVTDV-II. Teniendo una diferencia porcentual no mayor al 2%.

Curva de flujo para la glicerina. T=19ºC.

De estos valores se puede afirmar que el dispositivo experimental construido arroja resultados aceptables. Asimismo, la figura muestra el comportamiento viscoso de la glicerina en función de la rapidez de deformación, que al ser un fluido newtoniano, su viscosidad se mantiene aproximadamente constante.



Viscosidad en función de la rapidez de deformación para la glicerina. T=19ºC.

3. Indique otros métodos experimentales para la determinación de la viscosidad de líquidos, dando una breve explicación.Describimos dos métodos de medida de la viscosidad de un líquido. En ambos casos, el fluido circula a través de un tubo capilar.

CAÍDA DE UNA COLUMNA VERTICAL DE FLUIDO

Se dispone de tubos de vidrio de 1.6 m de longitud y cuyos radios pueden variar entre 0.1 y 0.5 mm. Se coloca el tubo verticalmente sobre un recipiente que contiene el líquido, tal como se muestra en la figura. Se succiona el líquido que asciende hacia arriba y cuando llega a una determinada altura se tapa el extremo superior con un dedo, mientras el otro extremo permanece en el depósito.

Se retira el dedo que obstruye la entrada de aire por el extremo superior, se pone en marcha un cronómetro y se mide el tiempo que tarda el líquido en caer una distancia x.

Cuando un líquido fluye por un capilar de radio R, con velocidad (media) v. La ley de Poiseuille afirma que el gasto G= πR2v es proporcional al gradiente de presión (p1-p2)/L entre dos posiciones 1 y 2 del capilar que distan L.



Si en un instante t la altura del líquido en el tubo vertical es x. La diferencia de presión p1-p2=ρgx debida a la altura de la columna de fluido en el tubo, mueve a la columna de fluido de longitud L=x con velocidad v.

Siendo ρ la densidad del fluido

Si inclinamos la varilla un ángulo θ, la diferencia de presión disminuye,

p1 - p2 = ρg(cosθ)x

y la velocidad constante de caída del fluido v vale

Los valores de la densidad ρ de los líquidos analizados se proporcionan en la siguiente tabla

Líquido Densidad (kg/m3)

Agua 1000

Acetona 791

Alcohol etílico

790

Anilina 1020

Cloroformo 1489

Fuente: Koshkin N. I., Shirkévich M. G. Manual de Física Elemental. Editorial Mir (1975). pág. 37

Ejemplo:

Se elige agua, densidad, ρ=1000 kg/m3 Se inclina el tubo θ=60º Se elige el tubo de radio R=0.2 mm

La columna de agua en el tubo se desplaza 1 m en 42.75 s.



BIBLIOGRAFÍA Víctor L. Streeter Mecánica de los Fluidos, Editorial Mc Hill, Novena Edición.

Merle C. Potter. Mecánica de Fluidos, Editorial Ciencias e Ingenierías, Tercera Edición. Madrid

España.

Gerhart, R. Groos y J. Hochstein Fundamentos de Mecánica de los Fluidos. (1995) Wilmington,

Delaware, USA. Addison-Wesley Iberoamericano, S.A. Segunda Edición.

LINKOGRAFÍA http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/viscosidad2/viscosidad2.htm .

http://www.guioteca.com/mecanica-automotriz/los-tipos-de-aceite-y-su-importancia-para-el-

auto/

http://html.rincondelvago.com/viscosidad_2.html

http://www.monografias.com/trabajos13/visco/visco.shtml

http://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad

http://molten.latinclicks.info/newton_viscosidad.html


http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/viscosidad2/viscosidad2.htm


CONTENIDOINTRODUCCIÓN............................................................................................................................................2

OBJETIVOS Y COMPETENCIAS..................................................................................................................3

JUSTIFICACIÓN...............................................................................................................................................3

I. ALCANCES...............................................................................................................................................4

II. MATERIALES Y MÉTODOS............................................................................................................17

III. METODOLOGÍA Y PROCEDIMENTO...........................................................................................18

IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN........................................................................................................23

A. TOMA DE DATOS............................................................................................................................23

B. TRABAJO DE GABINETE................................................................................................................25

C. Resultados........................................................................................................................................29

D. Discusión...........................................................................................................................................30

CONCLUSIONES..........................................................................................................................................30

RECOMENDACIONES.................................................................................................................................30

CUESTIONARIO............................................................................................................................................31



1. ¿Por qué es necesario conocer la viscosidad de una sustancia?...........................................................31

2. Explique algunos métodos analíticos y/o gráficos para estimar la viscosidad de una sustancia...........31

3. Indique otros métodos experimentales para la determinación de la viscosidad de líquidos, dando una breve explicación..........................................................................................................................................34

BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................................................37

LINKOGRAFÍA...............................................................................................................................................37


Práctica N° 01 - Viscosidad

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