Chorrode Agua

FUERZA DE UN CHORRO DE AGUA
Kerlys Olmos1, Irina Romo1, Howard Rueda1, Santiago Sarmiento1
Dirigido a: Crisóstomo Peralta Hernández2
Estudiante de Ingeniería Química. Universidad del Atlántico.
Docente de Mecánica de Fluidos. Universidad del Atlántico.

RESUMEN.
En esta ocasión se determinará de manera experimental la fuerza ejercida por un chorro de agua sobre tres superficies distintaslas cuales fueron plana, cóncava e inclinada. En primer lugar será conveniente calcular la fuerza que ejerce un chorro de agua al entrar en contacto con distintas superficies a partir de variables como la longitud medida, caudal que mantiene la bomba, la presión que se maneja para diferentes variaciones de frecuencia y el diámetro de las boquillas a la salida del chorro.

PALABRAS CLAVES: Fuerzade chorro, frecuencia, caudal.

OBJETIVO.
* Medir experimentalmente la fuerza generada por un chorro, cuando este golpea una placa de forma conocida.

INTRODUCCIÓN.
Las fuerzas ejercidas por los fluidos en movimiento conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones, cohetes, hélices, barcos, etc., por lo cual, la ecuación fundamental de la energía no es suficiente para resolver todoslos problemas que se presentan y por lo tanto se necesita el auxilio del principio de la cantidad de movimiento
Ecuación de momento para un volumen de control:

Esta ecuación establece la suma de las fuerzas (de superficie y másicas) que actúan sobre un volumen de control no acelerado, es igual a la relación de cambio de momento dentro del volumen de control, más la relación neta de flujo demomento que sale a través de la superficie de control. Considere la situación mostrada en la Fig. 1, en la que un chorro de agua impacta contra una superficie sólida plana (a), oblicua (b) o hemisférica (c). El chorro de agua, generado mediante una tobera de d = 8 mm de diámetro interior, lleva una velocidad v, de manera que transporta un caudal Q = v A,
Donde A = π d2 / 4 es el área de la seccióntransversal del chorro.

Fig 1. Formas geométricas consideradas en el impacto de un chorro.
Al impactar contra la superficie, el chorro abandona ésta con una velocidad vs convertido en una lámina de área transversal As. En condiciones estacionarias (Q= constante), y teniendo en cuenta que los efectos viscosos son despreciables en el problema (Re= ρ v d / μ >> 1), donde ρ y μ son ladensidad y viscosidad del agua respectivamente, la aplicación de la ecuación de Bernoulli a lo largo del chorro proporciona Vs = V, de manera que la velocidad de salida es igual a la velocidad del chorro. Por tanto, la conservación de la masa implica As = A.
Usando la segunda ley de Newton: F = m*a
La fuerza que se obtiene es la que ejerce la masa que se trabajó en la práctica. Para efectosprácticos, se asume que la aceleración es la gravedad y que se mantiene constante en nuestro sistema.
Sabiendo que: a = Δv/ Δt
Se procede a reemplazar en la segunda ley de newton para obtener la siguiente expresión:
f=mΔv Δt


Entonces:
fΔv=m Δt=ρQ

Pero como se dijo anteriormente que: Q= v*A ; v =QA

Obtenemos:
fAQ=ρQ=m Δt

Si nuestro objetivo es calcular la fuerza de chorro de agua de manera analítica, entonces la expresión anterior queda resumida a:f =ρQ2
A

La ecuación de la cantidad de movimiento proporciona la fuerza total sobre la placa en cada caso a trabajar son las siguientes
Para superficie plana:

Para superficie inclinada:

Para superficie cóncava:

Donde:
ρ = densidad del agua.
Q = caudal...