Fuerzas Sobre Superficies Planas

Universidad Tecnológica de Panamá

Proceso de Flujo
Laboratorio #6
Fuerza sobre superficies planas


Introducción
El ingeniero debe calcular las fuerzas ejercidas por los fluidos con el fin de poder diseñar satisfactoriamente las estructuras que los contienen. Es por eso la importancia de aprender y saber las diferentes características de los fluidos sobre las distintas superficies paranuestro estudio las planas, su localización, modulo dirección y sentido.

Las leyes de la mecánica de fluidos pueden observarse en muchas situaciones cotidianas. Por ejemplo, la presión ejercida por el agua en el fondo de un estanque es igual que la ejercida por el agua en el fondo de un tubo estrecho, siempre que la profundidad sea la misma. Si se inclina un tubo más largo lleno de agua de formaque su altura máxima sea de 15 m, la presión será la misma que en los otros casos (izquierda). En un sifón (derecha), la fuerza hidrostática hace que el agua fluya hacia arriba por encima del borde hasta que se vacíe el cubo o se interrumpa la succión. I

Marco teórico
Una superficie plana en una posición horizontal en un fluido en reposo está sujeta a una presión constante. La magnitud de lafuerza que actúa sobre la superficie es:

Fp = ∫ p dA = p ∫ dA = pA
Todas las fuerzas elementales pdA que actúan sobre A son paralelas y tienen el mismo sentido. Por consiguiente, la suma escalar de todos estos elementos es la magnitud de la fuerza resultante.

Figura 1 Su dirección es perpendicular a la superficie y hacia esta si p es positiva. Para encontrar la línea de acción de laresultante, es decir, el punto en el área donde el momento de la fuerza distribuida alrededor de cualquier eje a través del punto es 0, se seleccionan arbitrariamente los ejes xy, Tal como se muestra en la figura.1. Puesto que el momento de la resultante debe ser igual al momento del sistema de fuerzas distribuidas alrededor de cualquier eje, por ejemplo el eje y 
pAx’ = ∫A xp dA
Donde x’ es ladistancia desde el eje y hasta la resultante. Como p es constante,
x’= 1/A ∫Ax dA = xg

en la cual xg es la distancia al centroide del área. Por consiguiente, para un área horizontalsujeta a una presión estática, la resultante pasa a través del centroide del área

Procedimientos
* El equipo para evaluar fuerzas sobre superficies sumergidas cuenta con un anexo en forma de medio cilindropara evaluar fuerzas sobre superficies curvas. Asegúrese que este anexo sea removido.

* Remueva la componente superior del equipo de tal manera que solo quede el depósito inferior expuesto.

* Llene el depósito inferior de agua.

* Transfiera agua desde la cámara inferior a la superior hasta que el nivel de agua cubra parcialmente o totalmente la superficie de dimensiones w y h taly como lo indique el facilitador.

* Determine la temperatura del agua para evaluar sus propiedades.

* Mueva la posición del contrapeso hasta que la barra sostenida por el pivote alcance una posición vertical.

* Mida las distancias L y y.

* Calcule el momento que produce sobre el punto pivote el contrapeso.

* Determine la distancia entre el nivel de agua y el centpide de la superficie sumergida, calcule la fuerza de presión.

* Haciendo un balance de momento sobre el pivote, calcule la distancia yf experimental

* Usando conceptos teóricos determina el valor de la distancia yf esperada.

* Compare los dos valores de yf y comente acerca de posibles causas de discrepancia.

* Repita los pasos 4 al 12 para al menos tres otros niveles de aguaen la cámara superior.

* El profesor decidirá la manera en que deben presentarse los resultados.

Cálculos y Preguntas
* ¿Qué diferencia de peso existe entre el tornillo que esta en el aire con el que esta sumergido en el agua?
R//. Si el objeto se pesa primero en aire y luego en agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual...