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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA DPTO. INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLA INGENIERÍA AGRÍCOLA

MECANICA DE FLUIDOS 2015966-3

LEONARDO SANDOVAL PABON

273910

TRABAJO INVESTIGACION “FLOTABILIDAD”

ING. RAFAEL ORTIZ

SEPTIEMBRE 28 DE 2011 BOGOTÁ D.C.

FLOTABILIDAD Al sumergirnos en un liquido, por ejemplo, una piscina, notamos que nuestro cuerpo parecer tener menor peso que cuando salimos de esta. Este fenómeno se debe a que los fluidos producen una fuerza sobre los cuerpos total o parcialmente sumergidos en dicho fluido, que tiene sentido contrario al peso y, por tanto tiende a contrarrestarlo. Esta fuerza experimentada recibe el nombre de fuerza de empuje y fue estudiada hace más de 2000 años por el científico griego Arquímedes. El resultado de este estudio se conoce como el principio de Arquímedes, que puede enunciarse así: “Todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de líquido que dicho cuerpo desaloja”. (Henao & Bautista, 1995)

1. CONCEPTOS BASICOS Centro de Gravedad: El centro de gravedad de un objeto rígido es el punto de equilibrio. Si se sitúa un solo soporte directamente bajo el centro de gravedad de un objeto (ilustración 1), la fuerza de contacto Fc que ejerce sobre el objeto es igual a –Fg, y de aquí que la fuerza total sobre el objeto sea cero. Además tanto Fc como Fg, producen momentos nulos alrededor del centro de gravedad ya que sus líneas de acción pasan por él. Por consiguiente, el momento total alrededor del centro de gravedad es cero y el objeto esta, pues, en equilibrio. (Cromer, 1998)

Ilustración 1.Un objeto suspendido de un solo soporte directamente debajo de su centro de gravedad. (Cromer, 1998)

Centro de Volumen: Es una propiedad de los cuerpos derivada del concepto de centroide. El centro de volumen es el punto en cual se puede considerar concentrado el volumen. Su localización se rige por el mismo principio que sustenta el teorema de Varignon, sustituyendo las fuerzas por los volúmenes. (Celis Colin, 2009)

Metacentro: El metacentro (mc) se define como la intersección del eje vertical de un cuerpo cuando está en su posición de equilibrio, con una línea vertical que pasa a través de la posición nueva del centro de flotación cuando el cuerpo gira levemente. Esto queda ilustrado en la ilustración 2(b). (Mott, 2006)

Ilustración 2. Método para encontrar el metacentro. (Mott, 2006)

Altura Metacéntrica: Distancia al metacentro desde el centro de gravedad. Generalmente es conocida con la sigla MG. Se dice que los vehículos marinos pequeños deberán tener un valor mínimo de MG de 1.5ft (0.46m). Los barcos grandes deberán tener MG>1.07m (5.5ft). Pero, la altura metacéntrica no debe ser demasiado grande porque la nave, entonces, puede tener ese desagradable movimiento de balanceo que produce mareos. (Potter & Wiggert, 1996)

Ilustración 3.Grado de estabilidad indicado por la altura metacéntrica y por el brazo de rectificación. (Potter & Wiggert, 1996)

2. CUERPOS TOTALMENTE SUMERGIDOS Los submarinos y los globos meteorológicos son dos ejemplos cotidianos de cuerpos sumergidos por completo en un fluido. Es importante que este tipo de objetos permanezcan con una orientación específica a pesar de la acción de las corrientes, vientos o fuerzas de maniobra. (Henao & Bautista, 1995)

Ilustracion 4. El submarino es un ejemplo de un cuerpo totalmente sumergido. (Mashburn)

2.1. Equilibrio Lineal Se pone de manifiesto cuando desplazamos el cuerpo verticalmente hacia arriba, este desplazamiento provoca una disminución del volumen del fluido ubicado arriba cambiando la magnitud de la fuerza de flotación correspondiente. Como se rompe el equilibrio existente entre la fuerza de flotación y el peso del cuerpo (Ff ≠ W), aparece una fuerza restauradora de dirección vertical y sentido hacia abajo que hace que el cuerpo regrese a su posición original, restableciendo así el equilibrio. De la misma manera, si desplazamos el cuerpo verticalmente hacia abajo, aparecerá una fuerza restauradora vertical y hacia arriba que tendera a devolver el cuerpo a su posición inicial. En este caso el centro de gravedad y el de flotación permanecen en la misma línea vertical. (Universidad Autonoma de Bajo California) 2.2. Equilibrio Rotacional

Equilibrio estable: El equilibrio de un cuerpo en un fluido se considera estable si dicho cuerpo regresa a su posición original después de habérsele dado un giro pequeño sobre un eje horizontal. Entonces “La condición de estabilidad para los cuerpos sumergidos por completo en un fluido es que su centro de gravedad este por debajo de su centro de flotabilidad”. (Mott, 2006)

Ilustración 5. Centro de gravedad situado por debajo del centro de flotación, la densidad en la parte inferior del cuerpo tiene que ser mayor que en la parte superior. (Universidad Autonoma de Bajo California)

Al darle un giro pequeño al cuerpo se creara un par de fuerzas (Ff y W) que hará que el cuerpo vuelva a su posición original en la cual las dos fuerzas están en la misma línea de acción. Esta línea se conoce como el eje de flotación de un cuerpo totalmente sumergido.

Equilibrio inestable: El equilibrio inestable se da cuando en un cuerpo la parte superior del mismo tiene mayor densidad que la parte inferior por lo cual el centro de gravedad se va a encontrar más arriba que el centro de flotación, por lo tanto con cualquier movimiento el par de fuerzas generado hará que el cuerpo gire hasta encontrar una nueva posición de equilibrio.

Ilustración 6. Centro de Gravedad ubicado arriba del centro de flotación, la densidad en la parte superior del cuerpo es mayor que en la parte inferior. (Universidad Autonoma de Bajo California)

Equilibrio indiferente o neutro: El equilibrio indiferente o neutro en un cuerpo totalmente sumergido se da cuando el centro de gravedad está ubicado en el mismo punto que el centro de flotación, esto hace que al hacer un desplazamiento angular no se genere un par de fuerzas en ningún sentido, por lo cual el equilibrio va a ser el mismo para cualquier posición.

Ilustración 7.Centro de gravedad ubicado en el mismo punto del centro de flotación, lo cual quiere decir que la distribución de masa es igual para todo el cuerpo, o que la densidad es uniforme. (Universidad Autonoma de Bajo California)

2.3. Globo Aerostático Inventado en 1783 por los hermanos Joseph y Etienne Montgolfier, hizo realidad el deseo del hombre de volar. Un globo aerostático es un cuerpo con un gas en su interior sumergido en un fluido, el aire. Según el principio de Arquímedes, el globo experimenta un empuje vertical hacia arriba. Si el empuje es mayor que el peso del globo y sus ocupantes, el globo ascenderá. Para facilitar el ascenso, los globos poseen grandes mecheros que calientan el aire en su interior, ya que el aire caliente es menos denso que el aire frio y, de esta forma, el peso del globo disminuye. (Henao & Bautista, 1995) Ilustración 8.Globo aerostático (Fisica, 2010)

2.4. Submarino Usado por primera vez en la primera guerra mundial hoy en dia son usados por casi todas las naciones en sus armadas, se pueden encontrar desde submarinos de dos plazas, capaces de sumergirse unas pocas horas, hasta submarinos nucleares capaces de sumergirse por más de un año y cuyo uso tiene fines bélicos.

El principio de funcionamiento de los submarinos es relativamente sencillo funciona con unos tanques de lastre que se pueden llenar de agua para cambiar el peso del submarino, con lo cual cambia su densidad y puede sumergirse a voluntad, cuando quiere emerger se saca el agua de los tanques con ayuda de aire comprimido, la densidad nuevamente cambia y el submarino asciende.

Ilustración 9.Funcionamiento de un submarino (combate)

3. CUERPOS PARCIALMENTE SUMERGIDOS Los cuerpos parcialmente sumergidos tienen características diferentes a los totalmente sumergidos debido a que la fuerza que experimentan ambos depende del volumen de liquido desalojado, pero en el caso de los cuerpos parcialmente sumergidos, dicho liquido desalojado es variable, por lo tanto se necesitan consideraciones adicionales. Ilustración 10. Boya (Boya Oceanografica)

3.1. Equilibrio Lineal Se dice que un cuerpo flotante posee estabilidad lineal cuando al tener un pequeño desplazamiento lineal, sea hacia arriba o hacia abajo, se presentan fuerzas restauradoras que tienden a regresar al cuerpo a su posición original. Un ejemplo casero de esta situación ocurre cuando un balón reposa sobre la superficie del agua de una piscina; asumiendo que no existen perdidas de energía

y que no existe fricción entre el agua y el balón, supóngase que este es obligado a sumergirse gracias a que se aplica una fuerza descendente F. Si cuando el balón llega a una profundidad determinada se retira la fuerza F, inmediatamente se apreciara que el balón emerge a su posición original. (Duarte & Niño, 2006) 3.2. Equilibrio Rotacional Equilibrio Estable: La condición para la estabilidad de los cuerpos flotantes es diferente de aquella para los cuerpos sumergidos por completo; la razón se ilustra en la ilustración 11, donde se muestra la sección transversal aproximada del casco

Ilustración 11.Perfil de un Barco en condición de equilibrio (Mott, 2006)

de un barco. En el inciso (a) de la figura, el cuerpo flotante se encuentra en su orientación de equilibrio y el centro de gravedad (cg) está arriba del de flotabilidad (cb). La línea vertical que pasa a través de dichos puntos es conocida como eje vertical del cuerpo. La ilustración 11(b) muestra que si el cuerpo se gira ligeramente, el centro de flotabilidad cambia a una posición nueva debido a que se modifica la geometría del volumen desplazado. La fuerza flotante y el peso ahora producen un par estabilizador que tiende a regresar el cuerpo a su orientación original. Así, el cuerpo se mantiene estable. Entonces se define que un cuerpo flotante tiene equilibrio rotacional estable si su centro de gravedad está por debajo del metacentro. (Mott, 2006) Equilibrio inestable: Se da cuando el metacentro se encuentra por debajo del centro de gravedad, lo cual genera un par que aumenta la inestabilidad generando el volcamiento del cuerpo. (Duarte & Niño, 2006) Equilibrio indiferente: Se da cuando el metacentro se ubica en el mismo punto que el centro de gravedad, siendo este un estado crítico. (Duarte & Niño, 2006)

4. BARCO Usados hace miles de años, hoy en dia por su versatilidad y su capacidad de carga en el agua han sido irremplazables. Los barcos tienen un principio de funcionamiento relativamente sencillo debido a que deben mantener un equilibrio estable, estos deben tener el centro de gravedad lo más profundo posible, debido a que el metacentro generalmente está ubicado en las zonas menos profundas. Además de esto se debe tener la consideración de no tener una altura metacéntrica muy grande debido a que esta causaría bamboleos desagradables. Ilustración 12.Barco Portacontenedores. (Pacific Products Commodities)

Las partes principales de un bote son: 1. Timón

13. Escota

23. Atadura

2. Caña del timón

14. Motón

24. Ollao (agujero)

3. Extensión de la caña

15. Bancada del palo

25. Grátil

16. Palo / Mástil

26. Pujamen

17. Cabo de fijación del palo / Seguro de palo

27. Grátil alto

18. Percha

29. Alunamiento 30. Puño de pena

8. Borda

19. Tensor de la percha

9. Regala

20. Botavara

32. Puño de amura

10. Espejo de popa

21. Boca de la botavara

33. Puño de escota

4. Orza 5. Caja de la orza 6. Elástico de la orza 7. Proa

11. Reserva de flotabilidad 12. Cincha

28. Baluma

31. Puño de boca

34. Empuñadura 22. Trapa

35. Cornamusa de la trapa

37. Funda de sable

39. Boza

38. Grimpolón

40. Cuaderna maestra

36. Sable

Ilustración 13.Partes de un barco

El eje de flotación del barco no es el mismo para todos los barcos, por lo tanto el esquema no lo incluye, pero dicho eje está en la línea que une el centro de gravedad de la embarcación con el metacentro de la embarcación.

5. LEYES DE NAVEGACION A continuación se listan algunos de los artículos más importantes de la LEY 1242 DE 2008 por la cual se establece el Código Nacional de Navegación y Actividades Portuarias Fluviales y se dictan otras disposiciones  Los armadores, los empresarios fluviales y sus representantes, los agentes fluviales, operadores portuarios, los tripulantes y todas las personas naturales y jurídicas, que en una u otra forma intervengan en la navegación y comercio fluvial están obligadas a acatar las normas administrativas y jurídicas de navegación y comercio.  Tan pronto como ocurra un accidente durante la navegación, que obligue a suspender el viaje, se cerciore del daño ocurrido, el capitán o quién haga sus veces y, reunida la junta de oficiales, con la asistencia de tres (3) pasajeros si los hubiere, expedirá su opinión sobre la posibilidad de continuar viaje o de arribar al puerto más cercano y cumplirá sin demora lo que determine la junta.  El capitán tendrá la representación de la empresa, sólo en lo relativo a los trabajos materiales de salvamento. Además de las obligaciones que le imponga la ley por razón de su oficio, tiene las de llevar a cabo las diligencias y maniobras necesarias a la conservación de la embarcación, de las personas y de la carga.  Obligatoriedad del reporte de carga. Cuando una embarcación recibe a bordo cualquier cargamento, deberá reportarlo a la Inspección fluvial respectiva.  Permanencia en puerto. Cuando las embarcaciones en tránsito atraquen para pernoctar, aprovisionarse o hacer reparaciones, no requerirán permiso de zarpe, siempre y cuando no permanezcan por tiempo superior a cuarenta y ocho (48) horas. Además, deberán dar previo aviso de estas circunstancias a la autoridad fluvial.  Cuando la embarcación se encuentre en puerto, la permanencia de tripulantes a bordo está sujeta al reglamento interno de trabajo y reglamentación fluvial vigente. El Capitán o quien haga sus veces, al llegar al puerto, ordenará el turno de personal para maniobras normales y de emergencia. La empresa deberá mantener a bordo la conveniente dotación y responderá ante la autoridad fluvial por cualquier irregularidad en el servicio.

 Toda embarcación fluvial mayor con capacidad remolcadora superior a ciento un (101) toneladas, debe mantener en servicio un equipo de radiocomunicaciones de capacidad y frecuencia determinado y asignado para cada caso por el Ministerio de Comunicaciones, en coordinación con el Ministerio de Transporte.

6. BIBLIOGRAFIA  (s.f.). Recuperado el 25 de Septiembre de 2011, de http://fcm.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/APUNTES/ESTABILIDAD.htm  Boya Oceanografica. (s.f.). Recuperado el 26 de 09 de 2011, de http://4.bp.blogspot.com/_dbbuwCxZzCE/TQunB0VUPWI/AAAAAAAAAA8/f rAct0p-b-E/s1600/INS_boya_300.jpg  Celis Colin, G. (2009). Mecanica Estructural estatica. Mexico D.F.: Universidad Iberoamericana Ciudad de Mexico .  combate, S. d. (s.f.). Recuperado el 25 de 09 de 2011, de http://simulaciondecombate.forumfree.it/?t=54098209  Cromer, A. (1998). Fisica para las ciencias de la vida. Barcelona: Editorial Reverté.  Duarte, C. A., & Niño, J. R. (2006). Introduccion a la Mecanica de Fluidos. Bogotá.  Fisica, L. m. (9 de Octube de 2010). Nosotrosylafisica. Recuperado el 25 de Septiembre de 2011, de http://3.bp.blogspot.com/_C28_q1X6WLg/TLDqvKjRg3I/AAAAAAAAAAM/p8 6iLyoWt9U/s1600/globo-aerostatico-907599[1].jpg  Henao, J. T., & Bautista, M. (1995). Movimiento, Fuerzas, Energia, Fluidos y Termodinamica. Santafé de Bogotá: Santillana S.A.  Mashburn, J. (s.f.). WDICT. Recuperado el 25 de Septiembre de 2011, de http://wdict.net/gallery/submarino/  Mott, R. L. (2006). Mecánica de fluidos. México: Pearson Educación .  Pacific Products Commodities. (s.f.). Recuperado el 26 de Septiembre de 2011, de http://www.pacificproduct.eu/

 Potter, M., & Wiggert, D. (1996). Mecánica de Fluidos. Mexico D.F.: Prentice Hall Hispanoamerica S.A.  Universidad Autonoma de Bajo California. (s.f.). Recuperado el 26 de Septiembre de 2011, de http://fcm.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/APUNTES/ESTABILIDAD.htm