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• Ivan De Jesus Valle Bohorquez

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• Física aplicada e interdisciplinaria

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UNIVERSIDAD RICARDO PALMA FACULTAD DE INGENIERIA

LABORATORIO CENTRAL DE HIDRAULICA Y MEDIO AMBIENTE

VELOCIDAD TERMINAL DE PARTICULAS 1.0

INTRODUCCION Una partícula sólida introducida en el seno de un fluido en reposo, por efecto de la gravedad inicia un movimiento de asentamiento o descenso, que depende de las relaciones entre las densidades de la partícula y del fluido.

2.0

OBJETIVO El objetivo del laboratorio es observar el comportamiento de las partículas o sedimentos, en la determinación experimental de la velocidad terminal de partículas en aguas quietas, así como la velocidad teórica, usando criterios correspondientes al caso.

3.0

BREVE PRINCIPIO TEORICO La determinación de la velocidad de caída posee numerosas aplicaciones en la ingeniería civil, como por ejemplo, en el diseño de desarenadores, que son estructuras cuya función es retener o atrapar los sedimentos. El material transportado por las corrientes de agua posee efectos perjudiciales: disminuye el área de paso de los conductos, enarena las tierras de cultivo, impactan en los alabes de las turbinas produciendo su abrasión. Stokes supuso que para el caso de una esfera inmóvil, de diámetro D, situada en una corriente cuya velocidad uniforme es igual a U∝, para números de Reynolds pequeños e inferiores a la unidad, es posible despreciar los términos de inercia frente a los de viscosidad llegando a establecer la expresión de la resistencia al avance de una esfera en el seno de un fluido:



(s

W=  ρ - ρ



W ρs , ρa g D µ

) ⋅ g 18Dµ  a 2



………………….. (1)

Velocidad terminal o caída de las partículas Densidad de las partículas sólidas y del agua Gravedad Diámetro de las partículas Viscosidad dinámica del fluido

Los limites de aplicación de la expresión son: 2 µm < D < 50 µm.

(µm = micra)

Lamentablemente las limitaciones de la expresión de Stokes le dan a este cálculo un rango de aplicación muy escaso. En la práctica, para la determinación de la velocidad terminal de una partícula se recurren a otras relaciones empíricas, sin embargo, lo más recomendable es proceder experimentalmente. La velocidad experimental se determina relacionando la distancia “H” recorrida por la partícula y el tiempo “t” que tarda. Ver figura N° 1.

Ve

=

H t

…………………. …(2)

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H

B) A) Tubo de acumulación visual

Muestras de solidos correspondiente a diferentes tamices

Figura N° 1

4.0

5.0

EQUIPO DE TRABAJO −

Tubo para observación de velocidades de caída. Ver figura N° 1 A)

−

Termómetro

−

Cronómetro

−

Muestras de partículas de granulometría seleccionada. Ver figura N° 1 B)

PROCEDIMIENTO 5.1

PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO a. b. c. d. e.

f. g.

5.2

PROCEDIMIENTO DE GABINETE

a.

b. c.

6.0

Verificar el estado y la puesta en "cero" de los instrumentos. Observar la precisión de la medida de los instrumentos. Registrar la temperatura del agua. Establecer el tramo (“H”) en el tubo, para la cuenta del tiempo de caída, que demore, en el recorrido, las partículas de cada muestra. Ver figura N° 1. Tomar de las muestras de los sólidos algunas partículas y colocarlas sobre la superficie liquida con mucho cuidado para no influir en el descenso de los corpúsculos. Anotar el tamaño D y el tiempo de caída. Seguir el procedimiento, para cada tamaño de partículas por lo menos tres veces, luego cambie el tamaño de éstas. Cambiar la temperatura del agua y repetir el procedimiento.

Calcule las velocidades de caída experimentales con la ecuación (2). Compute el número de Reynolds de la partícula con la viscosidad correspondiente a la temperatura del agua registrada. Con la ecuación de Stokes (1) determinar las velocidades de caída teóricas. Representar gráficamente la relación ”D vs Ve” experimental y ”D vs W“ teórica sobre el gráfico adjunto.

DATOS Y SU PRESENTACION Según indicaciones del Ítem 3-7 de redacción de informes, los datos obtenidos según procedimiento deben ser registrados en formatos similar a la Tabla N° 1.

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H= Tabla N° 1 Registro de información del Laboratorio “Velocidad Terminal de Partículas” Ensayo N°

Tamiz N°

Tamaño de partículas D (m)

T (seg) t1

t2

t3

Tiempo prom. (seg)

Temp. °C

1 2 3 4 5

7.0

CALCULOS Y PRESENTACION DE LOS RESULTADOS Ver Ítem 3.8 y 3.9 de redacción de informes, complementar con el Ítem “2.0 d” de experimentos de laboratorio de Mecánica de Fluido y Ingeniería Hidráulica, y los resultados de todos los cálculos se deben presentar en un formato similar a la tabla N° 2.

Tabla N° 2 Resultado de los cálculos del Laboratorio “Velocidad Terminal de Partículas” Ensayo N°

Tamaño de partículas D

Ve

Vt

(m/s)

(ms)

Re

1 2 3 4 5

8.0

CONCLUSIONES En base a los datos, cálculos y gráficos que sirven de sustento para comprobar el principio teórico, establezca las conclusiones pertinentes, según las indicaciones del ítem 3.11 de “Redacción de Informes”.

9.0

CUESTIONARIO 1.

Encontrar la velocidad limite de una esfera de diámetro D=0.8 mm y densidad media ρs = 13.6 -5 2 gr/cm³, que cae en el aire de densidad ρa = 1.26 gr/cm³ y viscosidad igual a 1.425 x 10 m /s.

2.

Encontrar la velocidad límite de la misma esfera, que cae en agua con viscosidad igual a 1.14 x -3 2 3 10 N s/m y densidad de 999.1 Kg/m .

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Grafico N° 1