Dinámica de fluídos: problemas e solucións

Dinámica de fluídos: problemas e solucións

Teorema de Torricelli

1. Un recipiente cheo de auga e hai un burato , como se mostra na figura seguinte. Se a aceleración debida á gravidade é de 10 ms -2 , cal é a velocidade da auga a través dese burato?

Coñecido:Dinámica de fluídos: problemas e solucións 1

Altura (h) = 85 cm – 40 cm = 45 cm = 0.45 metros

Aceleración debida á gravidade (g) = 10 m/ s²

Buscase: A velocidade da auga (v)

Solución:

O teorema de Torricelli afirma que a auga sae do burato coa mesma velocidade que un obxecto en caída libre desde a mesma altura. Altura (h) = 85 cm – 40 cm = 45 cm = 0.45 metros

A velocidade da auga calcúlase coa ecuación do movemento de caída libre :

v t² = 2 gh

v t² = 2 gh = 2(10)(0.45) = 9

v t = √9 = 3 m/s

2. Un recipiente cheo de auga e hai un burato, como se mostra na figura seguinte. Se a aceleración da gravidade é de 10 ms -2 , cal é a velocidade da auga a través dese burato?

Coñecido:Dinámica de fluídos: problemas e solucións 2

Altura (h) = 1.5 m – 0.25 m = 1.25 metros

Aceleración da gravidade (g) = 10 m/ s²

Buscase: A velocidade da auga (v)

Solución:

v t² = 2 gh = 2(10)(1.25) = 25

v t = √25 = 5 m/s

3. Un recipiente cheo de auga e hai un burato, como se mostra na figura seguinte. Se a aceleración da gravidade é de 10 ms -2 , cal é a velocidade da auga a través dese burato?

Coñecido:

Altura (h) = 1 m – 0.20 m = 0.8 metrosDinámica de fluídos: problemas e solucións 3

Aceleración da gravidade (g) = 10 m/ s²

Buscase: A velocidade da auga (v)

Solución:

v t² = 2 gh = 2(10)(0.8) = 16

v t = √16 = 4 m/s

4. Un recipiente cheo de auga e hai un burato, como se mostra na figura seguinte. Se a aceleración da gravidade é de 10 ms -2 , cal é a velocidade da auga a través dese burato?

Coñecido:

Altura (h) = 20 cm = 0.2 metrosDinámica de fluídos: problemas e solucións 4

Aceleración da gravidade (g) = 10 m/ s²

Buscase: A velocidade da auga (v)

Solución:

Dinámica de fluídos: problemas e solucións 5

5. Un recipiente cheo de auga e hai dous buratos , como se mostra na figura seguinte. Cal é a proporción entre x 1 e x 2?

Solución

Dinámica de fluídos: problemas e solucións 6

Intervalo de tempo da caída libre de auga desde o burato 1:Dinámica de fluídos: problemas e solucións 7

h = 1/2 en 2

0.8 = 1/2 (10) t²

0.8 = 5 t²

t2 = 0.8 / 5 = 0.16

t = 0.4 segundos

Intervalo de tempo da caída libre de auga desde o burato 2:

h = 1/2 en 2

0.5 = 1/2 (10) t²

0.5 = 5 t²

t2 = 0.5 / 5 = 0.1

t = √0.1 segundo

A distancia horizontal (x):

x 1 = v 1 t 1 = (2)(0.4) = 0.8 metros

x² = v² t² = (√10 ) (√0.1) = (10)(0.1) = 1 metro

A proporción entre x1 e x2 :

x 1 : x 2 = 0.8 : 1 = 8 : 10 = 4 : 5

A ecuación de continuidade

6. A auga flúe a través dunha tubaxe de diámetro variable, de A a B e despois a C. A proporción de A a C é 8:3. Se a velocidade da auga na tubaxe A é v, cal é a velocidade da auga na tubaxe C?

Coñecido:

Área de A (AA) = 8Dinámica de fluídos: problemas e solucións 8

Área de C (A C ) = 3

A velocidade da auga na tubaxe A (v A ) = v

Buscase: A velocidade da auga na tubaxe C (v C )

Solución:

A ecuación de continuidade:

A A v A = A C v C

8 V = 3 V C

vC = 8/3 v

7. Se a velocidade da auga nunha tubaxe cun diámetro de 12 cm é de 10 cm/s, cal é a velocidade da auga nunha tubaxe cun diámetro de 8 cm?

Coñecido:

Diámetro 1 (d² ) = 12 cm, radio 1 ( r² ) = 6 cm

Diámetro 2 (d² ) = 8 cm, radio 2 ( r² ) = 4 cm

A velocidade da auga 1 (v 1 ) = 10 cm/s

Buscase: A velocidade da auga 2 ( v2 )

Solución:

Área 1 (A 1 ) = π r 2 = π 6 2 = 36π cm 2

Área 2 (A 2 ) = π r 2 = π 4 2 = 16π cm 2

A ecuación de continuidade:

Un 1 contra un 1 = Un 2 contra un 2

(36π)(10) = (16π) v 2

(36)(10) = (16) v 2

360 = (16) contra 2

v2 = 360/16

v² = 22.5 cm/ s

8. A auga flúe a través dunha tubaxe de diámetro variable, como se mostra na figura seguinte. Se a área 1 (A1 ) = 8 cm2 , A2 = 2 cm2 e a velocidade da auga na tubaxe 2 = v2 = 2 m/s, entón cal é a velocidade da auga na tubaxe 1 = v1.

Coñecido:

Área 1 (A1) = 8 centímetros2Dinámica de fluídos: problemas e solucións 9

Área 2 (A2 ) = 2 cm2

Velocidade da auga na tubaxe 2 ( v² ) = 2 m/s

Buscase: a velocidade da auga na tubaxe 1 ( v1 )

Solución:

A ecuación de continuidade:

Un 1 contra un 1 = Un 2 contra un 2

8 contra 1 = (2)(2)

8 contra 1 = 4

v1 = 4 / 8 = 0.5 m/s

9. Se o diámetro do tubo máis grande é o dobre do diámetro do tubo máis pequeno, cal é a velocidade do fluído no tubo máis pequeno?

Coñecido:

Diámetro do tubo máis grande (d1) = 2Dinámica de fluídos: problemas e solucións 10

Radio do tubo máis grande (r1 ) = ½ d1 = ½ (2) = 1

Área do tubo maior ( A 1 ) = π r 1 2 = π (1) 2 = π (1) = π

Diámetro do tubo máis pequeno (d² ) = 1

Radio do tubo máis pequeno (r² ) = ½ d² = ½ (1) = ½

Área do tubo máis pequeno ( A 2 ) = π r 2 2 = π (1/2) 2 = π (1/4) = ¼ π

A velocidade do fluído na tubaxe máis grande ( v1 ) = 4 m/s

Buscada: A velocidade do fluído na tubaxe máis pequena ( v2 )

Solución:

A ecuación de continuidade:

Un 1 contra un 1 = Un 2 contra un 2

π⁴ = ¼ π ( v² )

4 = ¼ ( v² )

v² = 8 m/s

Principio e ecuacións de Bernoulli

10. Bombéase auga cun compresor de 120 kP que entra no tubo inferior (1) e flúe cara arriba a unha velocidade de 1 m/ s. A aceleración da gravidade é de 10 m/ s e a densidade da auga é de 1000 kg/m -3 . Cal é a presión da auga no tubo superior (II )?

Coñecido:

Radio do tubo inferior (r1) = 12 centímetrosDinámica de fluídos: problemas e solucións 11

Radio do tubo inferior (r² ) = 6 cm

Presión da auga na tubaxe inferior (p1 ) = 120 kPa = 120,000 Pascal

A velocidade da auga no tubo inferior (v1 ) = 1 ms -1

A altura da tubaxe inferior (h1 ) = 0 m

A altura do tubo superior (h2 ) = 2 m

Aceleración da gravidade (g) = 10 ms -2

Densidade da auga = 1000 kg.m -3

Buscase: Presión da auga na tubaxe 2 ( p2 )

Solución:

A velocidade da auga na tubaxe 2 calcúlase coa ecuación de continuidade:

Dinámica de fluídos: problemas e solucións 12

A presión da auga na tubaxe 2 calcúlase mediante a ecuación de Bernoulli:

Dinámica de fluídos: problemas e solucións 13

11. Unha tubaxe grande a 5 metros por riba do chan e unha tubaxe pequena a 1 metro por riba do chan. A velocidade da auga nunha tubaxe grande é de 36 km/h cunha presión de 9.1 x 10⁵ Pa , mentres que a presión na tubaxe pequena é de 2.10⁵ Pa . Cal é a velocidade da auga na tubaxe pequena? Densidade da auga = 10⁵ kg/ m⁵

Coñecido:

Presión da auga na tubaxe grande (p1) = 9.1 x 105 Pascal = 910,000 pascalesDinámica de fluídos: problemas e solucións 14

Presión da auga na tubaxe pequena (p² ) = 2 x 10⁵ pascales = 200,000 pascales

Velocidade da auga na tubaxe grande (v1 ) = 36 km/h = 36(1000)/(3600) = 36000/3600 = 10 m/s

A altura do tubo grande (h1 ) = -4 metros

A altura do tubo pequeno (h2 ) = 0 metros

Aceleración da gravidade (g) = 10 ms -2

Densidade da auga = 1000 kg/ m³

Buscase: A velocidade da auga na tubaxe pequena ( v² )

Solución:

A velocidade da auga no tubo pequeno (v² ) calcúlase usando a ecuación de Bernoulli:

Dinámica de fluídos: problemas e solucións 15

12. Tubaxe cun radio de 15 cm conectada con outra tubaxe cun radio de 5 cm. Ambas están en posición horizontal. A velocidade do fluxo de auga na tubaxe grande é de 1 m/s a unha presión de 10⁵ N / m² . Cal é a presión da auga na tubaxe pequena (1 g cm⁻³ )?

Coñecido:

Radio do tubo grande (r1 ) = 15 cm = 0.15 m

Radio do tubo pequeno (r² ) = 5 cm = 0.05 m

A presión da auga na tubaxe grande (p1 ) = 105 N m -2 = 100.000 N m -2

A velocidade da auga na tubaxe grande (v1 ) = 1 ms -1

Aceleración da gravidade (g) = 10 ms -2

Densidade da auga = 1 gr cm⁻³ = 1000 kg m⁻³

Diferenza de altura (Δh) = 0.

Buscase: Presión na tubaxe pequena ( p2 )

Solución:

A velocidade da auga no tubo 2 calcúlase mediante a ecuación de continuidade:

Dinámica de fluídos: problemas e solucións 16

A presión da auga na tubaxe pequena (p2 ) calcúlase usando a ecuación de Bernoulli:

Dinámica de fluídos: problemas e solucións 17

  1. Que é a dinámica de fluídos?
    • Resposta: A dinámica de fluídos é a rama da física que estuda o movemento dos fluídos (líquidos e gases) e as forzas que actúan sobre eles. Abarca os principios e ecuacións que describen como os fluídos flúen, interactúan cos límites sólidos e se afectan entre si.
  2. Cal é a diferenza entre o fluxo laminar e o turbulento?
    • Resposta: O fluxo laminar caracterízase por capas de fluído suaves e paralelas que se moven en traxectorias ordenadas. O fluxo turbulento, pola contra, é caótico, con remuíños, remuíños e flutuacións rápidas. A turbulencia xeralmente ocorre a altas velocidades ou en canles de forma irregular.
  3. Importancia do concepto de viscosidade na dinámica de fluídos.
    • Resposta: A viscosidade mide a resistencia dun fluído ao cizallamento ou ao fluxo. Os fluídos de alta viscosidade (como o mel) resisten o fluxo máis que os fluídos de baixa viscosidade (como a auga). Na dinámica de fluídos, a viscosidade xoga un papel crucial á hora de determinar a natureza do fluxo de fluídos, a disipación de enerxía e as forzas de arrastre.
  4. Que é o principio de Bernoulli?
    • Resposta: O principio de Bernoulli afirma que nun fluxo estacionario, a suma da enerxía de presión, a enerxía cinética e a enerxía potencial por unidade de volume permanece constante. En concreto, onde a velocidade do fluído é alta, a presión é baixa e viceversa.
  5. Como se relaciona o principio de sustentación en aerodinámica coa dinámica de fluídos?
    • Resposta: A sustentación da á dun avión pódese explicar usando o principio de Bernoulli e a terceira lei de Newton. A medida que o aire flúe sobre a á, móvese máis rápido sobre a superficie superior curva que sobre a inferior, creando unha diferenza de presión. Esta diferenza de presión, combinada coa desviación cara abaixo do aire pola á, resulta nunha forza cara arriba ou sustentación.
  6. Cal é a ecuación de continuidade na dinámica de fluídos?
    • Resposta: A ecuación de continuidade afirma que o produto da área da sección transversal (A) dun fluxo e a súa velocidade (v) permanece constante ao longo dunha liña de corrente nun fluxo estacionario. Matematicamente, , Onde son áreas de sección transversal e son as velocidades en dous puntos da liña de corrente.
  7. Que papel xoga o número de Reynolds na dinámica de fluídos?
    • Resposta: O número de Reynolds é unha cantidade adimensional que axuda a predicir o réxime de fluxo (laminar, transicional ou turbulento) na dinámica de fluídos. Defínese como a relación entre as forzas inerciais e as forzas viscosas e depende de factores como a velocidade do fluído, a lonxitude característica e as propiedades do fluído.
  8. Como actúa a forza de arrastre sobre os obxectos que se moven nun fluído?
    • Resposta: A forza de arrastre oponse ao movemento dun obxecto a través dun fluído. Xorde debido á resistencia viscosa do fluído e ás diferenzas de presión arredor do obxecto. A magnitude e a natureza da resistencia dependen de factores como a forma, a rugosidade, a velocidade e as propiedades do obxecto.
  9. Que é o efecto Venturi?
    • Resposta: O efecto Venturi refírese á diminución da presión do fluído que se produce cando un fluído flúe a través dunha sección estreita dunha tubaxe. A medida que a velocidade do fluído aumenta na sección estreita (debido á conservación da masa), a súa presión diminúe segundo o principio de Bernoulli.
  10. Por que aumenta a velocidade un fluído ao flúe a través dunha sección estreita dunha tubaxe ou canle?
  • Resposta: Este comportamento pódese explicar polo principio de conservación da masa. Nun fluxo estacionario, o volume de fluído que entra nunha sección dunha tubaxe debe ser igual ao volume que sae. Se a tubaxe é estreita, o fluído debe acelerar para permitir que o mesmo volume pase a través dela nun tempo determinado.