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ÍNDICE

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I.

INTRODUCCION

Un fluido Newtoniano es el cual se puede modelar mediante la ecuación de la viscosidad de Newton que relaciona la tasa de deformación angular con el esfuerzo cortante aplicable mediante una constante de proporcionalidad que es la viscosidad para cada tipo de fluido. La viscosidad podría entenderse entonces como la propiedad de un fluido que determina su resistencia al corte. Es decir, mientras más viscoso es un fluido, más lento fluirá sobre una superficie. Este parámetro es muy usado en ingeniería, porque da una buena caracterización del comportamiento de un fluido. De este modo, en la elección de un aceite lubricante un indicador imprescindible es su viscosidad. Esta queda definida por la clasificación SAE J300 estableciendo once grados de viscosidad: SAE 0W SAE 5W SAE 15W SAE 20W SAE 25W SAE 20 SAE 30 SAE 40 SAE 50 SAE 60, de modo que a medida que el grado aumenta el aceite es más viscoso. El siguiente informe de laboratorio muestra los resultados obtenidos para la determinación de la viscosidad en un aceite SAE 30 para motor de gasolina. Estos fueron obtenidos de ensayos en dos dispositivos (cojinete y bloque deslizable) para ángulos de 45° y 60°. Primero se presenta un marco teórico que ayudará a la compresión de los ensayos, luego se presentan los procedimientos seguidos y los materiales empleados. Al final se muestran los datos obtenidos, el análisis de resultados y conclusiones.

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II. OBJETIVOS a. OBJETIVOS GENERALES 1. Determinar la Viscosidad Absoluta del Aceite SAE 40 para motor de gasolina. b. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Aplicar los conocimientos teóricos adquiridos en clase sobre la Viscosidad en Fluidos Newtonianos. 2. Comparar los resultados obtenidos con los datos de la Hoja Técnica del Aceite SAE 40 3. Evaluar los posibles sesgos cometidos durante el laboratorio.

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III. MARCO TEORICO FLUIDO La materia solo puede representarse en dos estados, sólido o líquido. La distinción técnica entre ambos radica en la reacción que tiene respecto a un esfuerzo tangencial o cortante. Un sólido puede resistir un esfuerzo cortante con una reacción estática, en cambio un fluido no. Cualquier esfuerzo aplicado aun fluido, no importa su intensidad, producirá el movimiento del fluido.

1. DEFINICION Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay fuerzas restitutivas).

2. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 2.1 VISCOSIDAD Los gases y los líquidos tienen una propiedad conocida como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia a fluir ofrecida por un líquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. Se puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas y se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales Los líquidos presentan mucha mayor tendencia al flujo que los gases y, en consecuencia, tienen coeficientes de viscosidad mucho más altos. Los coeficientes de viscosidad de los gases aumentan con la temperatura, en tanto que los de la mayoría de líquidos, disminuyen. 2.2.1 RELACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA La viscosidad de los líquidos decrece con la temperatura, en tanto que la de los gases se incrementa gracias a ella. Esto se debe a que en un líquido las moléculas poseen más energía a temperaturas más elevadas y se pueden oponer con mayor fuerza a las grandes fuerzas de cohesión intermoleculares. Como resultado las moléculas energizadas de los líquidos se pueden mover con mayor facilidad. A diferencia, en los gases las fuerzas intermoleculares son despreciables y a temperaturas elevadas las moléculas de los gases se mueven en forma

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aleatoria a velocidades más altas. Esto conduce a que se produzcan más colisiones moleculares por unidad de volumen por unidad de tiempo y, en consecuencia, en una mayor resistencia al flujo. 2.2 DENSIDAD La densidad de un fluido 𝜌 es su masa por unidad de volumen. La densidad varía mucho en los gases, aumentando casi de forma proporcional a la presión. En cambio, la densidad de los líquidos es casi constante. Por tanto, que la mayoría de los líquidos se pueden considerar incomprensibles.

Variación de la viscosidad de los líquidos y gases con la temperatura. Fuente: Yonus C. Mecánica de Fluidos Fundamentos y aplicaciones

2.3 VISCOSIDAD CINEMÁTICA La viscosidad cinemática 𝑣 es la razón de la viscosidad dinámica a la densidad del fluido:

𝑣=

𝜇 𝜌

Donde:

𝜇 ∶ Viscosidad dinámica 𝜌 : Densidad

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𝜇 ∶ Viscosidad Dinámica Las unidades de la viscosidad cinemática son: En el Sistema Internacional: 𝑚2 /𝑠 En el Sistema Inglés: 𝑚2 /𝑠 En el sistema CGS:

𝑠𝑡𝑜𝑘𝑒 =

𝑐𝑚2 𝑠

ó 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑠𝑡𝑜𝑘𝑒 = 0.01

𝑐𝑚2 𝑠

3. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS 3.1 FLUIDOS NEWTONIANOS Se denomina de esta forma a todos aquellos fluidos cuyo esfuerzo cortante producido por una fuerza F es directamente proporcional a la gradiente de la velocidad y se evalúan mediante la “Ley De Viscosidad De Newton”.

𝜏= 𝜇

𝑑𝑣 𝑑𝑦

Donde:

𝜇 ∶ Viscosidad Absoluta o Dinámica 𝜏: Esfuerzo Cortante producido por la fuerza F, que da movimiento a la placa (barra) 𝑑𝑣 𝑑𝑦

: Gradiente de Velocidad (Índice de Deformación)

El esfuerzo se calcula por:

𝜏=

𝐹 𝐴

Donde:

𝐴: Área de Contacto de la superficie con el fluido. 3.2 FLUIDOS NO NEWTONIANOS En estos fluidos la relación entre el esfuerzo cortante y la razón de deformación no es lineal. Es decir, dependen de otros parámetros, como la intensidad del esfuerzo o el tiempo. Pueden ser: 

Dilatantes: o espesantes al corte. Son aquellos que se vuelven más resistentes al movimiento conforme se incrementa la velocidad de deformación.

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

Pseudoplásticos: son aquellos que se vuelven menos resistentes al movimiento conforme se incrementa la velocidad de deformación.

Algunos materiales como la pasta de dientes pueden resistir un esfuerzo cortante finito y se comportan como sólido, pero se deforman continuamente cuando este esfuerzo sobrepasa el del punto de fluencia. A estos se los conoce como plásticos de Bingham.

Variación del esfuerzo respecto a la tasa de deformación para fluidos newtonianos y no newtonianos. Fuente: Frank M. White Mecánica de Fluidos

Una complicación adicional al comportamiento no newtoniano es la variación de la viscosidad respecto al tiempo de algunos fluidos. En este caso se distinguen dos tipos de fluidos:  

Reopépticos: son fluidos en los cuales su viscosidad se incrementa mientras más tiempo estén bajo la influencia de esfuerzos cortantes. Tixotrópicos: son fluidos que se hacen menos viscosos mientras más tiempo se expongan a esfuerzos cortantes.

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Efecto del tiempo sobre los esfuerzos aplicados. Fuente: Frank M. White Mecánica de Fluidos

4. UNIDADES DE VISCOSIDAD DINÁMICA En la tabla se muestra las unidades para la viscosidad absoluta en los tres sistemas más empleados. TABLA N° 01: UNIDADES DE LA VISCOSIDAD DINAMICA SISTEMA DE UNIDADES SISTEMA INTERNACIONAL SISTEMA TRADICIONAL SISTEMA CGS

UNIDADES PARA LA VISCOSIDAD DINÁMICA 𝑁. 𝑠/𝑚2, Pa.s , kg/m.s 𝑙𝑏. 𝑠/𝑝𝑖𝑒 2 Poise, centipoise Poise = 𝑑𝑖𝑛𝑎. 𝑠/𝑐𝑚2 Centipose = 0.01 poise

Fuente: Mott, R. (2006). Mecánica de Fluidos. p.28

5. ACEITES LUBRICANTES Son mezclas de aceites básicos paranínficos, sintéticos, y aditivos que tienen el objetivo de crear una película entre las superficies que se deslizan. Al no producirse contacto directo no existe rozamiento ni desgaste de las mismas y se alarga la vida útil del motor. 5.1 VISCOSIDAD DE LOS ACEITES La viscosidad es una característica muy importante para el desempeño de los lubricantes. Si la viscosidad es muy baja para la aplicación, el desgaste es

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mayor por falta de colchón hidrodinámico. Y si la viscosidad del aceite es muy alta para su aplicación el consumo de energía es mayor. Solamente la viscosidad correcta maximizará la vida útil del motor, trasmisión, sistema hidráulico o lo que sea la aplicación. 5.2 GRADOS SAE DE VISCOSIDAD Los aceites lubricantes para el uso automotriz se clasifican de acuerdo a una tabla de viscosidades creada por la Society of Automotive Engineers (SAE). La clasificación SAE está basada en la viscosidad del aceite a dos temperaturas, en grados Fahrenheit, 0ºF y 210ºF, equivalentes a -18º C y 99º C, estableciendo ocho grados S.A.E. para los monogrados y seis para los multigrados. TABLA N° 02: VISCOSIDAD CINEMATICA A 100 °C MINIMA Y MAXIMA

VISCOSIDAD SAE 0W 5W 10 W 15 W 20 W 25 W 20 30 40 50 60

Viscosidad Cinemática 100 °C cSt Min - Max 3-8 3-8 4-1 5-6 5-6 9-3 5,6 - 9,3 9,3 - 12,5 12,5 - 16,3 16,3 - 21,9 21,9 - 26,1

Fuente: SAE J300 – Revisión Enero, 2015

5.3 TIPOS DE LUBRICANTE SAE 5.3.1 ACEITES MONOGRADO Los aceites monogrado se distinguen por llevar solo un número o grado de viscosidad, que indica los márgenes de temperatura dentro de los cuales tienen un buen comportamiento. SAE J300 ha establecido once grados de viscosidad, de los cuales seis se consideran del invierno (con designación W). En base a la que el aceite funciona correctamente, el aceite se clasifica como el grado de viscosidad SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 25W. Para los aceites de grado no invierno,

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la viscosidad cinemática se mide a una temperatura de 100°C, basado en el rango de viscosidad en el que cae esa temperatura el aceite se clasifica como grado de viscosidad SAE 20, 30, 40, 50 o 60. 5.3.1.1 ACEITE SAE 40 Es un aceite monogrado recomendado para ser utilizado en motores gasolineros de combustión interna, trabajando en condiciones de servicio moderado. Permite operaciones económicas, mantiene el motor limpio. Su viscosidad a 20°C y 80°C se muestra en la tabla siguiente: TABLA N° 03: VISCOSIDAD DINAMICA A 20 °C Y 80 °C

FLUIDO Aceite SAE 40 Aceite SAE 40

TEMPERATURA °C 20 80

VISCOSIDAD DINÁMICA (𝑵. 𝒔/𝒎𝟐 ) 0.350 0.190

Fuente: Mott, R. (2006). Mecánica de Fluidos. p.33

5.3.2 ACEITES MULTIGRADO A diferencia de los aceites monogrado, que cumplen solo un requisito, los aceites multigrado cumplen los requisitos de más de un grado SAE y por tanto pueden ser adecuados para su uso en un rango de temperaturas más amplio. Por ejemplo, un aceite SAE 10W 50, indica la viscosidad del aceite medida a -18 grados y a 100 grados, en ese orden. Nos dice que el ACEITE se comporta en frío como un SAE 10 y en caliente como un SAE 50. Así que, para una mayor protección en frío, se deberá recurrir a un aceite que tenga el primer número lo más bajo posible y para obtener un mayor grado de protección en caliente, se deberá incorporar un aceite que posea un elevado número para la segunda.

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IV. PROCEDIMIENTO 1. MATERIALES Y EQUIPOS       

Bloque de metal con sección hueca de forma triangular. Placas con regulador angular Cronómetro digital: instrumento utilizado para medir los diferentes tiempos de recorrido de la plancha móvil en el fluido. Aceite de viscosidad SAE 40. Wincha y regla graduada Transportador para medir los ángulos. Franela o trapo para limpiar.

2. PROCEDIMIENTO CON LA PLACA Y EL BLOQUE DE METAL CON SECCION HUECA DE FORMA TRIANGULAR Para cada ángulo se procede del siguiente modo: 1. Medir y colocar la placa a un determinado ángulo, 45° y 60°. 2. Agregar una cantidad de aceite SAE 40 para motor a lo largo de la zona por la que se dejará deslizar el bloque. 3. Medir con el vernier para hallar el espesor promedio de la película de aceite (ℎ) 4. Medir la distancia de recorrido del bloque (𝐷). 5. Colocar el bloque en la parte superior de la placa, y dejarlo deslizar hasta que termine de recorrer la distancia (𝐷). Anotar el tiempo (𝑡) que tomó en recorrer la distancia. Repetir el ensayo 10 veces. 6. Limpiar el bloque y medir todas las dimensiones del área de contacto (𝐴) 7. Con ayuda de una balanza determinar la masa del bloque (𝑚) 8. Determinar la viscosidad absoluta mediante la Ecuación de Newton.

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Diagrama N° 01: Esquema de proceso experimental

Diagrama N° 02: Vista de Perfil del Bloque de Metal y la Plancha Reguladora

Con los datos obtenidos, la viscosidad se determina del siguiente modo: 

Fórmula de Newton:

𝜏= 𝜇

𝑣 ℎ

Despejando la variable para la determinar la Viscosidad Absoluta, tenemos:

𝜇=𝜏

𝑣 ℎ

Donde: 𝜇: Viscosidad Absoluta (𝑁. 𝑠⁄𝑚2 ) 𝐹 𝜏: Esfuerzo Cortante (𝑁⁄𝑚2); 𝜏 = 𝐴; 𝐹 = 𝑊 𝑆𝑒𝑛 𝛼 (𝑁) y 𝐴: Área de Contacto (𝑚2 )

ℎ: Espesor de Película (𝑚) 𝑣: Velocidad Promedio (𝑚⁄𝑠); 𝑣 = 𝐷⁄𝑡, 𝐷: Distancia (𝑚) y 𝑡: Tiempo (𝑠𝑒𝑔.)

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V. RESULTADOS 1. DATOS OBTENIDOS En el ensayo realizado en el laboratorio, se obtuvieron los siguientes datos: A. BLOQUE METALICO

Diagrama N° 03: Medidas del Bloque de Metal Triangular con Sección Hueca

B. DATOS EXPERIMENTALES TABLA N° 04: CARACTERISTICAS Y DATOS OBTENIDOS EN EL ENSAYO DISPOSITIVO MASA DISTANCIA (D) TEMPERATURA N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ENSAYO DE VISCOSIDAD ACEITE Bloque Deslizante 420 gr. ESPESOR DE PELICULA 0.40 m. PROMEDIO 20°C TIEMPOS POR ANGULO DE ENSAYO (en segundos) 45° 60° 0.56 0.32 0.53 0.28 0.46 0.36 0.48 0.31 0.54 0.32 0.58 0.37 0.50 0.32 0.54 0.37 0.52 0.33 0.53 0.35

SAE 40 1.5 mm

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2. ANALISIS DE RESULTADOS ACEITE BLOQUE DESLIZANTE SAE 40 45°

60°

Tiempo Promedio (𝒔)

0.524

0.333

Peso (𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏)

4.119

4.119

F cortante (𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏)

2.912

3.567

Área de contacto (𝒄𝒎𝟐 )

54.847

54.847

𝝉 (𝑷𝒂)

530.932

650.355

h (𝒎) Velocidad promedio 𝒗 (𝒎⁄𝒔) Viscosidad 𝝁 (𝑵. 𝒔⁄ 𝟐 ) 𝒎 𝒉 𝝁=𝝉 𝒗 Viscosidad promedio 𝝁 ̅ (𝑵. 𝒔⁄ 𝟐 ) 𝒎 Viscosidad promedio 𝝁 ̅ (𝒄𝑷)

1.5 x 10

−3

1.5 𝑥 10−3

0.763

1.201

1.044

0.812 0.928 928

OBSERVACIONES: * La viscosidad de los fluidos varía conforme la temperatura se incrementa, es por eso que en el ensayo se considera la temperatura del ambiente 20 °C como un aproximado para la temperatura del aceite, dado que no se cuenta con un dispositivo para su medición. * Se observa también que un cambio en 0.01 mm en el espesor medido de la película de aceite cambia ligeramente el valor de la viscosidad obtenida, por tanto, los resultados no tienen la precisión necesaria.

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VI. CONCLUSIONES 1. Se determinó el valor de la viscosidad absoluta de un aceite SAE 40 para 𝑠 motor de gasolina. El valor obtenido fue 𝜇 = 0.928 𝑁. 𝑚2 = 928 𝑐𝑃. 2. Se aplicaron los conocimientos teóricos adquiridos en clase sobre la viscosidad en fluidos Newtonianos. Tomándose como ecuación base para los cálculos la relación de la viscosidad de Newton, que establece una relación proporcional entre el esfuerzo cortante sobre un fluido y la gradiente de velocidad. 3. Se compararon los resultados alcanzados el dato teórico de la viscosidad para un aceite SAE 40. Donde los resultados obtenidos fueron cercanos a los resultados que se esperaban. 4. Las limitaciones que se tuvieron para la realización del laboratorio fue la poca precisión de los instrumentos de medida y la temperatura de ensayo que tuvo que ser aproximada a la temperatura ambiental 20°C

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BIBLIOGRAFIA     

C. Yonus (2006). Mecánica de Fluidos. Fundamentos y Aplicaciones. Ed. McGraw Hill. Pp. 46-50 Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Química Física", 1ra Ed., Ed. Alambra, Madrid, 1961, pág. 70 – 73. Mott, R. (2006). Mecánica de Fluidos. Ed. Pearson Education. Pp.27-30 Ranald V. Giles, “Mecánica de los Fluidos e Hidráulica”, 3ra ed. McGraw-Hill, Nueva York pág. 4 White, F. (2008). Mecánica de Fluidos. Ed. McGraw-Hill. Pp. 22-25

LINKOGRAFIA  TABLAS DE VISCOSIDAD, Aplicaciones Técnicas Procesos Productico, Visitada el 05 de mayo del 2017: http://www.atpplleal.com/Pujat/file/VISCOSIDAD.pdf

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ANEXOS

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Figura N° 01: Placas con Regulador Angular.

Figura N° 02: Bloque de metal con sección hueca de forma triangular.

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Figura N° 03: Bloque de metal con sección hueca de forma triangular

Figura Figura N° 04: N° Aceite SAE 40 para motor de gasolina, industrial. 05: Medición del bloque metálico contrapo vernier.

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06: Medición del bloque metálico con vernier. FiguraFigura N° 07:N° Medición del ángulo del plano con regulador angular.

Figura N° 08: Distribución de la película de aceite SAE 40 para motor de gasolina.

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Figura N° 09: Medición de la película de aceite SAE 40 para motor de gasolina.

Figura delalaplaca placacon conregulador reguladorangular. angular. FiguraN° N°10: 11:Bloque Bloquede demetal metalen enpunto puntoinicial final de

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Figura N° 12: Grupo de trabajo.

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