Tubo de venturi

Práctica No. 3

Grupo: 607

Fecha: 20/10/14

Nombre de alumno (a): Velasco Tapia Karen TUBO DE VENTURI PROPÓSITO Visualizar el comportamiento de un fluido en un tubo de Venturi diseñado por los alumnos y calcular la velocidad del aire utilizando la ecuación general para este tipo de medidor.

INTRODUCCIÓN Antes de que comencemos con el estudio de los fluidos en movimiento, recordaremos un poco acerca de los conceptos de presión manométrica, atmosférica y absoluta.

La presión se define como la fuerza ejercida sobre una unidad de área, como un metro cuadrado o un pie cuadrado, aunque ésta puede medirse con cualquier unidad de fuerza dividida entre cualquier unidad del área. La unidad más común de la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2 ) que se llama pascal en honor al científico francés Blaise Pascal y se obtiene con la siguiente fórmula: Fórmula

Donde A = área F= fuerza

La presión atmosférica es la presión que se ejerce contra los cuerpos sumergidos en la atmosfera, que resulta del peso del aire al presionar hacia abajo. Esta presión varia con la altura, por ejemplo a mayor altitud menor presión y viceversa. Su valor a nivel del mar es de: 1 atm = 760 mm Hg = 1.013x10 5 Pa La presión absoluta se define y obtiene sumando la presión manométrica más la presión atmosférica.

Por otra parte, la velocidad es una cantidad vectorial porque especifica tanto dirección como magnitud de un objeto, es decir, indica que tan rápido se mueve y en qué dirección.

Ahora bien, considera un flujo continuo de un líquido o un gas a través de un tubo: el volumen del fluido que fluye por el área transversal de tubo en un momento dado es el mismo que el que

fluye por cualquier otra sección del mismo tubo, aun cuando éste se ensanche o se angoste.

Debido a que el flujo es continuo, la velocidad del fluido aumenta al pasar de una parte ancha a una angosta en el tubo.

El movimiento de un fluido en un flujo constante sigue líneas de flujo imaginarias; las líneas de flujo son trayectorias estables del fluido. Las líneas están más cercanas entre si en las regiones más angostas, donde el flujo es más rápido El científico suizo del siglo XVIII Daniel Bernoulli estudió el flujo de los fluidos a través de tuberías. Su descubrimiento, ahora llamado Principio de Bernoulli, se expresa como sigue: “Cuando se incrementa la rapidez de un fluido, disminuye la presión interna en el fluido”

Si las líneas de flujo están más juntas entre sí, es mayor la rapidez del flujo, y es menor la presión en el fluido.

El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la energía, aunque él la desarrolló mucho antes de que se formalizara el concepto de energía. En pocas palabras mayor rapidez y energía cinética significan menor presión y viceversa.

Este principio se aplica a un flujo estable y constante llamado flujo laminar, sin embargo a una rapidez mayor sobre algún punto crítico, el flujo puede volverse caótico llamado flujo turbulento y uno puede darse cuenta de este tipo de flujos porque siguen trayectorias espirales llamadas torbellinos, como se muestra en la siguiente imagen:

Uno de los métodos más comunes para determinar la velocidad del flujo de fluidos, se basa en la medición de las caídas de presión causadas por la inserción en la línea por donde pasa el fluido de un mecanismo que reduce la sección, cuando el fluido pasa a través de la reducción, aumenta su velocidad y su energía cinética.

Por medio de la combinación de los balances de energía y de masa se puede obtener la velocidad del fluido en función de sus propiedades y de la caída de presión producida por el mecanismo reductor de la sección.

El tubo de Venturi se emplea para medir la velocidad de un fluido (líquido o gas) que circula a presión dentro de una tubería. El funcionamiento del tubo se basa en el principio de Bernoulli, el cual nos dice que la presión de un líquido que fluye por una tubería es baja si su velocidad es alta y viceversa. El tubo de Venturi consiste en una sección ancha y otra estrecha como se muestra a continuación:

Cuando el fluido pasa por la parte delgada aumenta su velocidad, pero disminuye su presión. Al medir la presión en la parte ancha y en la parte delgada conociendo el valor de las áreas de sus respectivas secciones transversales, se puede calcular la velocidad del fluido a través de la tubería

por la cual circula, si se utiliza la siguiente ecuación, la cual recibe el nombre de ecuación general de los medidores y es la siguiente: Fórmula

Donde VA = velocidad del líquido a través de la parte gruesa de la tubería en m/s2 PA = presión de líquido en la parte ancha del tubo en N/m2 PB = presión del líquido en la parte delgada del tubo en N/m2 ρ = densidad del líquido en kg/m3 AA = área de la sección transversal de la parte ancha del tubo en m2 AB = área de la sección transversal de la parte delgada del tubo en m2

Ahora que ya terminamos de definir algunos conceptos básicos para este practica, enunciaremos el material, los pasos a seguir en el desarrollo experimental, las observaciones, resultados y conclusiones obtenidas.

MATERIAL  2 botellas de plástico vacías de 1 L o 1.5 L de agua Bonafont  Tijeras  1 regla  Alfileres  Cerillos de los que tienen su palito de madera  Diurex  2 cuadritos de papel del mismo tamaño  1 compresora  2 manómetros en forma de U (mangueras de nivel)  1 encendedor  1 cuchillo  Plastiloka

DESARROLLO EXPERIMENTAL Primera Parte 1.- Con los dos cuadritos de papel, del mismo tamaño, hacer unos rehiletes, como se muestra a continuación:

2.- Unir los rehiletes a dos cerillos respectivamente, utilizando unos alfileres

3.- Cortar las dos botellas de plástico de la parte de fondo con el cuchillo, posteriormente caliéntalo de la puntita y has un hoyito en la boquilla de una de las botellas y otro en la parte gruesa de otra botella.

4.- Coloca los rehiletes en los hoyitos que se hicieron en las botellas y únelas por las boquillas con diurex, como se ejemplifica a continuación:

5.- Finalmente has pasar un flujo de aire a través de los extremos del tubo de Vneturi con una compresora. En nuestro experimento pudimos observar que el rehilete que se encontraba en la parte delgada giraba más rápido que el de la parte gruesa.

Segunda Parte 1.- Para esta segunda parte aprovecharemos el tubo de Venturi que construimos con anterioridad sólo que a este tubo le quitamos los rehiletes

2.- Haz más grandes los hoyitos para poner los manómetros (mangueras de nivel) y para que queden bien unidas al tubo ponle plastililoka, como se muestra a continuación:

3.- A los manómetros se les agrega agua sin embargo, hay que verificar que en cada manómetro exista la misma altura aunque no es necesario tener la misma cantidad de agua

4.- Después hicimos pasar un flujo de aire por el tubo de Venturi y observamos que el líquido manométrico subió por el lado del manómetro que estaba unido al tubo

5.- Finalmente medimos las alturas que registraron cada uno de los manómetros de los cuales obtuvimos los siguientes: Manómetro uno (M1)

Manómetro dos (M2)

H1= 10 cm

h1= 10 cm

H2= 12.5 cm

h2= 11.5 cm

OBSERVACIONES Y RESULTADOS Observaciones a. Para la realización de los rehiletes es necesario que uno de los rehiletes quepa bien en la boquilla de una de las botellas y que los dos sean del mismo tamaño. b. Tengan cuidado al cortar las botellas y al hacer los hoyitos por donde podrán los rehiletes. c. Si es necesario, hacer más grandes los hoyitos donde estaban los rehiletes porque ahora se colocaran los manómetros. d. Verificar que cada manómetro tenga la misma altura de agua antes de hacer pasar un flujo de aire por el tubo e. Cerciórense de pegar bien los manómetros al tubo con plastiloka Resultados Primera Parte De acuerdo con el paso No. 5, del primer experimento, pudimos observar que, al hacer pasar un flujo de aire con una compresora a través del tubo de Venturi el rehilete que se encontraba en la parte delgada de este tubo giraba con mayor velocidad que el rehilete que se encontraba en la parte ancha y con esto podemos afirmar que en la parte delgada hay más velocidad que en la parte gruesa.

Segunda Parte Manómetro uno (M1) 1.- En relación con el paso No 5, del segundo experimento, observamos que había una diferencia de alturas en el manómetro uno (M1) donde H1= 10 cm y H2= 12.5 cm, entonces para saber de cuanto era la diferencia entre estas alturas hicimos una resta como se muestra a continuación: H2 – H1

12.5 cm – 10 cm = 2.5 cm

2.- Ahora convertimos el resultado de la resta de la diferencia de alturas del manómetro uno (M1 ) de cm a m, como se muestra a continuación: 1m = 100 cm

3.- Ya que convertimos el resultado de diferencias de alturas del M 1 a m usaremos la siguiente formula para encontrar la presión que disminuye: P = ρgh Donde ρ= 1000 kg/m3

Sustitucion en la formula anterior P= (1000 kg/m3) (10m/s2 ) (.025m)

g= 10 m/s2

P= 250 Pa

h= .025 m

4.- Por lo tanto, la presion absoluta que existe en la parte delgada (sabiendo que la presion que habia en el tubo antes de echarle aire era de 77,300 Pa) del tubo de Venturi es: Presion absoluta = Presión manómetrica + Presión atmosferica

Presion absoluta= -250 Pa + 77, 300 Pa = 77, 050 Pa Manómetro dos (M2 ) 1.- En relacion con el paso No. 5, de la segunda parte, observamos que en el manómetro de la parte gruesa (M2) hubía una diferencia de alturas donde h1 = 10 cm y h2= 11.5 cm entonces para saber de cuanto era esta diferencia hicimos una resta, como se muestra a continuación:

h2 – h1

11.5 cm – 10 cm = 1.5 cm 2.- Ahora convertiremos el resultado de esa diferencia de cm a m 1 m = 100 cm

3.- Ya que convertimos el resultado de diferencias de alturas del M 2 a m usaremos la siguiente formula para encontrar la presión que disminuye: P = ρgh

Donde:

Sustitución en la formula anterior

ρ= 1000 kg/m3

P = (1000 kg/m3) (10 m/s2) (.015 m)

g= 10 m/s2

P = 150 Pa

h= .015 m

4.- Por lo tanto, la presión absoluta que existe en la parte gruesa (sabiendo que la presión que había en el tubo antes de echarle aire era de 77,300 Pa) del tubo de Venturi es: Presión absoluta = Presión manométrica + Presión atmosférica Presión absoluta = -150 Pa + 77, 300 Pa = 77, 150 Pa Con estos resultados observamos que tanto en la parte delgada como el la gruesa disminuye la presión pero, disminuye más en la parte delgada que en la gruesa. Por lo tanto, podemos concluir

de acuerdo a nusestros dos experimentos, que en ambas partes la presión disminuye pero disminuye más donde hay más velocidad.

Tercera Parte En esta parte calcularemso la velocidad del aire que circula por la parte gruesa (A) del tubo

Para esto, utilizaremos la formula de los medidores:

Desconocemos cuales son las áreas, tanto de la parte gruesa como de la delgada pero, esto se puede calcular facilmente sabiendo que el diametro de la parte gruesa es de .07 m y el de la parte delgada es de .025 m

Área de la parte delgada (AB)

Área de la parte gruesa (AA)

Fórmula: π x r2

Fórmula: π x r2

r= .0125 m

r= .035 m

A = (3.1416)(.0125 m)2

A = (3.1416)(.035 m)2

A= 4.90875 x 10-04 m2

A= 3.84846 x 10-03 m2

Ahora que ya tenemos las áreas, sabemos que:  PA = 77, 150 Pa  PB = 77, 050 Pa  ρ = 1.29 kg/m3  AB = 4.90875 x 10-04 m2  AA = 3.84846 x 10-03 m2  VA = ?

Como ya tenemos todos los datos, podemos sustiuir en la formula de los medidores, como se muestra a continuación:

Paso 1:

Paso 2:

Paso 3: Aplicamos la regla del sandwich

Paso 4:

Paso 5:

Paso 6: Resultado final

VA = 4.7609 m/s

Finalmente con este resultado podemos saber que la velocidad con la que pasaba el aire en tubo de Venturi, especificamente en la parte gruesa era de 4. 7609 m/s.

ANÁLISIS 1.- ¿Qué información nos proporcionaron los rehiletes? R= Los rehiletes nos ayudaron a identificar que en la parte delgada del tubo de Vneturi habia más velocidad que en la parte gruesa debido a que en esa parte el rehilete giraba más rápido.

2.- ¿Dónde es mayor la velocidad del aire, en la parte ancha o en la parte estrecha del tubo? R= De acuerdo a lo que se pudo observar cuando le echamos aire al tubo con la compresora es que en la parte delgada o estrecha es donde hay más velocidad y esto lo pudimos observar gracias a los rehiletes.

3.- ¿Dónde es mayor la presión, en la parte ancha o en la estrecha del tubo de Venturi? R= Cuando utilizamos manómetros con agua e hicimos pasar aire a lo largo del tubo con la compresora observamos que el líquido manométrico subió por el lado del manómetro que estaba conectado al tubo pero subió más por la parte delgada, por tal motivo en la parte estrecha hay menos presión que en la parte delgada.

4.- ¿Se comprobo el principio de Bernoulli? R= Sí porque pudimos comprobar que en la parte delagada hay más velocidad que en la ancha y que cuado calculamos la presión de los manómetros concectados a la parte estrecha y a la gruesa verificamos que donde disminuyó más la presión fue donde había más velocidad.

CONCLUSIONES El experimento que hicimos para la realización de la práctica del tubo de Venturi consistió en dos partes, en la primera constuimos un tubo con dos botellas de plastico que previamente fueron cortadas del fondo, después construimos dos rehiletes del mismo tamaño y colocamos uno en una de las boquillas del tubo y el otro en la parte gruesa de otra botella, posteriormente las unimos por las boquillas con diurex, finalmente al tubo le echamos aire con una compresoa y observamos que el rehilete de la parte delgada giraba con mayor velocidad que el de la parte gruesa. La segunda parte consistió en quitar los rehiletes y poner dos manómetros a los cuales les echamos agua, verificamos que cada manómetro tuviera la misma altura de agua, finalmente le echamos aire con la compresora y observamos que el agua subió por el lado del manómetro que estaba concetado al tubo. Después de calcular la presión, nos dimos cuenta que en ambas partes del tubo disminuyó la presión pero disminuyó más en donde había más velocidad.

BIBLIOGRAFÍA Hewitt, P. G. (2009). Fundamentos de Física conceptual. México: Pearson Education.

Tippens, P. E. (2011). Física conceptos y aplicaciones. México: Mc Graw Hill.