Viscosimetro de Tubos Concentricos
Viscosimetro de Tubos Concentricos
Viscosimetro de Tubos Concentricos
FACULTAD DE MINAS
MECÁNICA DE FLUIDOS
MEDELLÍN - COLOMBIA
ENERO DE 2019
1. INTRODUCCIÓN
Un fluido fluye bajo el esfuerzo más ligero, y el resultado de la aplicación continua de un
esfuerzo constante es una deformación infinita. Para el flujo laminar (no turbulento o sinuoso)
donde se supone el movimiento a velocidad constante de capas de fluido, se observa que el
esfuerzo cortante ( τ ) entre las capas de fluido es proporcional al gradiente de velocidades
(dv/dy), por el coeficiente de viscosidad (μ) (J. K. Vennard, R. L. Street, 1993)1 . El tipo de
movimiento del fluido lo define el número de Reynolds que depende de la geometría,
viscosidad, velocidad y densidad del fluido.
La viscosidad es una medida de resistencia de un fluido a deformarse por esfuerzos cortantes,
a aquellos con velocidad de deformación constante se les conoce como fluidos Newtonianos. El
viscosímetro de cilindros concéntricos es un instrumento de medida de la viscosidad de fluidos
newtonianos y no newtonianos de funcionamiento sencillo a partir de los conceptos de esfuerzo
cortante, gradiente de velocidades, y viscosidad, debido a esto se decide diseñar uno con
materiales a disposición y un fluido de propiedades conocidas.
2. OBJETIVOS
Objetivo general
Calcular la viscosidad dinámica de la glicerina en un viscosímetro de cilindros concéntricos a
temperatura aproximada de 25°C.
Objetivos específicos
Diseñar y construir un viscosímetro de cilindros concéntricos funcional.
Conseguir un flujo laminar en el dispositivo partiendo del cálculo del número de Reynolds.
Obtener un error en el valor experimental de la viscosidad dinámica del fluido menor a 10%
comparado con el valor teórico.
3. MARCO TEÓRICO
Viscosidad: resistencia que presenta un fluido a deformarse frente a un esfuerzo cortante, está
determinada por la velocidad de deformación del fluido. Si en un fluido la viscosidad es
independiente de la velocidad de deformación, se le conoce como fluido Newtoniano (J.S
Ramírez, 2006)2 .
Figura 2. Viscosímetro de
cilindros concéntricos por los
autores
Construcción: Se atornillaron los cuatro pilares a la base de madera, el cilindro exterior se
atornilla a la misma, para garantizar que no existan fugas se coloca 2 arandelas de un polímero
entre la base, el cilindro y el tornillo; se perforó la placa superior de madera y la tapa del cilindro
interior; el rodillo con eje se empotra en la placa superior de madera, el eje que posee conecta
una polea con el cilindro interior, se fija la tapa al eje con un tornillo, arandela y tuerca para
unirlo al sistema; por último se fijó una polea en el centro de un extremo de la placa para
permitir que el portapesas baje con ayuda de la cuerda que está unida a la primera polea.
Especificaciones
Glicerina 25 0.9934
Nota. Adaptado de Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones. Y. A. Çengel, J. M. Cimbala.
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Funcionamiento:
Se llena el viscosímetro con glicerina hasta una profundidad determinada, se coloca una masa
de peso conocido en el portapesas, se deja caer desde una altura establecida y se toma el
tiempo que tarda en llegar al suelo, se realiza este procedimiento tres (3) veces por cada masa
para calcular un promedio del tiempo de caída, y se repite del procedimiento con cada aumento
de masa.
6. CÁLCULOS
● Tiempos de caída con diferentes pesos:
tpromedio [s]
4.68 5.89 7.85 11.59 22.86
Fuente: Elaboración propia
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
La Figura 4. muestra una dispersión lineal de puntos entre el esfuerzo cortante y el gradiente de
velocidad, resultado característico para un newtoniano.
El error obtenido del valor experimental respecto al teórico es de % error = 4.6%, esto muestra
que el viscosímetro puede obtener valores cercanos al real.
8. CAUSAS DE ERROR
En cuanto a construcción se tiene desviación de los centros geométricos de los cilindros, esto
implica un movimiento ondulatorio alrededor del eje central y no un movimiento giratorio sobre
su propio eje. Las poleas no son ideales, y despreciar la fricción de estas y de la cuerda induce
error que consideramos despreciable dado que lubricamos las poleas. Además el brazo de la
fuerza ejercida por la tensión varía ya que al desenrollarse la cuerda este brazo disminuye, al
igual que los cilindros que tienen una forma cónica, para despreciar este error tomamos un
promedio para cada radio.
Por último dadas las condiciones ambientales del laboratorio donde se realizó el experimento el
fluido aumentó su temperatura en 2°C desde el momento de inicio de la toma de datos hasta el
final, de 24°C a 26°C y el error sistemático en la toma de datos.
9. CONCLUSIONES
El perfil de velocidad es lineal solo cuando los efectos de la curvatura de los cilindros son
despreciables y se puede tener una aproximación del mismo como lineal, en este caso,
supuesto que L << R1.
A menor viscosidad del glicerol mayor es la velocidad de caída de la masa dado que se reduce
también el esfuerzo necesario para moverse, pero la viscosidad del fluido es independiente del
esfuerzo necesario para que un objeto se mueva dentro de este.
La profundidad a la que se encuentra el cilindro interno dentro del fluido influye en la precisión
de la toma de datos debido a que entre mayor sea el área superficial en contacto mayor será el
esfuerzo necesario para rotar y por ende la velocidad de caída de la masa será menor
facilitando la medición del tiempo hasta que la masa toque el suelo.
El diseño previo del montaje facilita la realización apropiada del experimento, conociendo valor
teórico de la viscosidad del fluido, la masa para ensayar, las condiciones de flujo laminar y los
materiales disponibles se logran estimar y replicar la distancia recorrida en un tiempo
determinado o la fuerza necesaria para realizar el torque mínimo que mueva el cilindro,
reduciendo la incertidumbre en las datos dando así resultados más cercanos los reales.