UNIDAD I

                                      SOLIDOS Y FLUIDOS

Competencia especifica de la unidad I
Analizar las diferencias entre los solidos atendiendo las leyes de la hidraulica y las propiedades de los materiales asi como tambien el poder explicar la importancia de la hidrostatica e hidrodinamica de los fluidos.

1.1HIDROSTATICA
1.1.1 FLUIDOS.CONCEPTOS.PROPIEDADES
1.1.2 ECUACION DE EQUILIBRIO
1.1.3 PRINCIPIO DE PASCAL
1.1.4 PRINCIPIO DE ARQUIMIDES.EQUILIBRIO DE CUERPOS FLOTANTES
1.2 HIDRODINAMICA
1.2.1MOVIMIENTO PERMANENTE DEL LIQUIDO PERFECTO
1.2.2 ECUACION DE CONTINUIDAD
1.2.3 CONCEPTO DE VISCOCIDAD
1.2.4 APLICACIONES
1.3 PROPIEDADES ESPECIFICAS DE LOS SOLIDOS
1.3.1 ESFUERZO Y DEFORMACION
1.3.2 LEY DE HOOKE
1.4 TIPOS DE MATERIALES
1.4.1 PROPIEDADES MECANICAS, OPTICAS, ELECTRICAS Y MAGNETICAS
1.4.2 ALEACIONES.USOS Y APLICACIONES
 
 

UNIDAD 1

 

·        analizar las diferencias de los sólidos y los fluidos atendiendo las leyes de la hidráulica y las propiedades y los materiales.

 

·        Explicar la importancia de la hidráulica y la hidrodinámica en el estudio de los fluidos.

 

El primero de los estados, es el estado dolido; con el que estamos en constante contacto, nosotros mismos somos un estado sólido. Los solidos se caracterizan por tener forma y volumen definidos. En realidad no se pueden comprimir.

La materia es el objeto principal del estudio de la física y presenta diferentes propiedades, unas dependen de la cantidad de materia (generales) y otras son independientes de la cantidad de materia (especificas).

Las propiedades generales dependen de la cantidad de materia, porque en base a esto se miden, por ejemplo su peso. Determinamos que en W de un cuerpo es la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la tierra sobre los cuerpos hacia su centro, siendo múltiple directo de la masa del cuerpo por la a (aceleración) de la g (gravedad).

W= mg

 

 
Propiedades específicas

Son independientes de la cantidad de materia pues a pesar de la cantidad que sea siempre será la misma, r  y la densidad relaciona la m del cuerpo y el volumen.

r = m/v

Se podría decir que depende de la cantidad de materia pero no es así, ya que depende de la relación entre 2 cantidades que cambian proporcionalmente entre si; es decir, si cambia m cambia v  y la r permanece constante.

 
 

Hidrostática

Es parte de la hidráulica que se encarga del estudio de los fluidos en reposo, generalmente sus propiedades y características proporcionan diversas leyes para entender el comportamiento de los mismos, es el brazo derecho de la hidrodinámica.

 
 Principio de Pasca

El principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: «el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible (generalmente se trata de un líquido incompresible), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo». Es decir, que si se aplica presión a un líquido no comprimible en un recipiente cerrado, ésta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de fenómeno se puede apreciar, por ejemplo en la prensa hidráulica o en el gato hidráulico; ambos dispositivos se basan en el principio de Pascal. La condición de que el recipiente sea indeformable es necesaria para que los cambios en la presión no actúen deformando las paredes del mismo en lugar de transmitirse a todos los puntos del líquido
 
Principio de Arquímedes
El principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo sólido que se encuentre sumergido total o parcialmente (depositado) en un fluido será empujado en dirección ascendente por una fuerza igual al peso del volumen del líquido desplazado por el cuerpo sólido. El objeto no necesariamente ha de estar completamente sumergido en dicho fluido, ya que si el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, éste flotará y estará sumergido sólo parcialmente.

 

Hidrodinámica

Es la parte de la hidráulica que se encarga del estudio de los fluidos en movimiento, se basa en los datos proporcionados por la hidrostática para realizar sus leyes teorías o principios de acuerdo con condiciones establecidas como se vera posteriormente

 

Propiedades del fluido

Incomprensibilidad y tension superficial

Adhesion

Cohesion

Capilaridad

Densidad

Viscocidad

Fluido

Viscosidad: Es la propiedad que hace que un fluido se retrace en su movimiento, es equivalente a la fricción de los sólidos.

 

Densidad: Es la propiedad del fluido que relaciona su masa con su volumen

 

Capilaridad: es la propiedad del fluido relacionada con las fuerzas de cohesión que hace que un fluido pueda subir por un tubo capilar; por ejemplo un popote.

 

Cohesión: Son las fuerzas moleculares que mantienen unidas las moléculas del fluido

 

Adhesión: es la propiedad de un fluido para unirse a otro, o a una superficie; por ejemplo las gotas de agua en una ventana.

 

Incomprensibilidad: es la propiedad que hace que el fluido no pueda aplastarse.

 

rr = rsustancia/r agua

 

Ejemplo 1

 

Determina la r de un objeto de 57g que al meterlo a una probeta el agua sube 25ml

M= 57g                    r= m/v = 57g/25ml = 2.28 g/ml

V= 25ml

r= ?

 

 

Cunatos kg de un metal desconocido tenemos en un contenedos de 27m3 y en su ficha de especificaciones indica que su rr=3.5g/ml

 

r= 3.5 g/ml

 

rsust = (3.5)(1000)

                    = 3500 kg/ m3

 

m= vr (3500kg/m3)(27m3)

        = 94500kg

 

Una última propiedad de analizar es el peso específico

 

=w/v = mg/v = rg

 

Como su nombre lo dice es una propiedad especifica al igual que la r que relaciona el w con el v.

 

r = 1025kg/m3

g= ?                                 g = rg= (1025kg/m3) (9.81m/s2)

                                        g = 10045 N/m2

 

 

Problema 1

Una sustancia desconocida tiene un v= 142cm3 y m = 640g, determine  la r y g

 

V= 142 cm 3                     r= m/v = 640g/142cm3 = 4.507g/cm3

M = 640g

r=?

g=?

 

 

Problema 2

Un matraz de 500ml esta lleno de una sustancia desconocida se pone en una balanza y se ve que m= 397g r =? rr   g

 

r= .397kg/5x10-6= 79.400         rr= 79.400kg/m3 / 1000kg/m3

 

g = rg = (79.400kg/m3)(9.81m/s2) = 778914kg

 

Problema 3

La rr de cierto liquido orgánico es de .75 determina los Kg. del liquido  presentes en 24.5l

 

rr= rsust / rH2O = rsust = rrrH2O = (.75)(1000kg/m3) = 750

 

r = m/v = m = rv = (750kg/m3)(0.0245) = 18.375kg

 

 

 

Un trozo de hielo flota en el agua que porcentaje del volumen del hielo escara arriba del nivel del agua.

r= 917kg/m3

Solución: si la masa del trozo del hielo debe desplazar una cantidad igual a la masa del trozo del hielo del agua en agua

Mhielo= 1000kg

H20= 1000m3

El volumen bajo el agua es entonces de 1000m3 si el volumen bajo el agua es de 1000m3 el volumen de arriba es de 1.091m3

 

= 0.091m3/1.091m3 = 0.083 = 8.3 %

 

La embarcación de inmersión para investigar el fondo marino llamado alvin puede operar a la profundidad de 4500m con su tanque vació la embarcación desplaza un vr de 16.8m3 y tiene una m r = 17000kg ¿Qué volumen mínimo deben tener los tanques para que permita la inmersión?

Solución: la embarcación para sumergirse debe de ser mas pesada que el peso de flotación cuando esta completamente sumergida. La embarcación desplaza una masa de agua m = rv = r = 1025  x 16.81m3 = 17200kg por lo tanto la masa requerida para lograr flotación neutra

V= m/r = 200kg/1025kg/m3 = 0.20m3

 

 

Un globo aerostatito tiene v= 2.20x 10 3m3 cual es la fuerza de flotación que el aire frió circundante ejerce sobre el globo

 

raire =  1.29 kg/m3  m = rv   F=mg

 

 

Como calcular viscocidad

 

 

Presion:

Llamamos presion a la carga que tenemos encima, llamese trabajos tareas... pero en ciencia es la fuerza neta aplicada o carga en un area determinada

F= fuerza

A= area                                     P= F/A     

P= presion

 

 

 

 

Presion

Aerostatica

Hidrostatica

Es la presion ejercida por el aire y depende de la alturay en ocaciones de la temperatura

Es la presion ejercida por los liquidos a medida que se encuentra a determinadas profundidades

La presión se puede analizar en diversos casos ya sea por fluidos líquidos(llamada hidrostática) y por fluidos gaseosos (presión aerostática).

Hablaremos de presión isotérmica y se sugiere investigar como cambia cuando T va bajando al subir la P.

La presion es medida con un aparato llamado manómetro, pero no toma la presion normal a la que se encuentra, es decir, a la presión atmosférica.

 

1atm

Presion manometrica

Presion total

Presion atmosferica

108mmHg

 

Presion total en psi?

 

Datos

Pman=106 mm Hg        PT= pman + patm

Patm= 760 mm Hg          106 mm Hg + 760 mm Hg = 866 mm Hg

 Conversion 866mm Hg = 14.7 psi / 760 mm Hg = 16.75 psi

 

 

Fluidos en movimiento

Cuando hablamos de fluidos podemos decir que nos interesa su comportamiento al fluir y hasta ahora las hemos analizado solo en reposo

 

Q= v/t = volumen/tiempo = se llama gasto o caudal

 

Se determinamos el volumen como su area de sección trasversal multiplicado por su longitud tendremos

 

V= A∆x   = Av

 

Determina rl Q de una manguera de 2cm de diámetro por la que sale agua con una v = 11m/s

 

A = π (0.01)2

Q= Av

 = 3.1416x10-4m2(11m/s)

= 3.66x10-3m3/s

 

Una característica común en una tubería es que el Q es que el gusto es constante e independiente del tamaño de la tubería este echo se le conoce como ec. De continuidad

 

Q1 = Q2

A1V1 = A2V2

 

De acuerdo a esto podemos hacer las siguientes Observaciones

1 al tener un flujo que pasa de grande a chico su velocidad aumenta la v2>v1.

2 el flujo en un tubo que pasa de chico a grande su velocidad disminuye v1<v2.

 

Calcula la fuerza que debe aplicarse sobre un A= .6m2, para que exista una desnsidad = 400 pa

F=AP

(.6)(400pa)

= 240N

 

Determine la profundidad a la que se encuentra sumergida un submarino en el océano.

P= 1040 kg/m3 si es afectado por una p= 31.5PSI

P= pgh h = p/ pg

 

217.07x103 N/m2 / 10.192 N/m2(9.81m2) = 2.17

 

Determine la presion aerostatica de un avion que vuela a 3000FT, si en la tierra la presion = 1.025ATM

= 103832.5N/m2

 

 

PROPIEDADES ESPECÍFICAS DE LOS SOLIDOS

La responsabilidad de conocer aplicar en materiales es de la ingeniería de los materiales. Sin embargo solo se puede avanzar cuando se conoce profundamente las causas y consecuencias de los conocimientos que se han adquirido con anterioridad.

CIENCIA DE MATERIALES

Es una disciplina científica relacionada con la investigación que tiene por objeto el conocimiento básico de la estructura interna, propiedades y procesamientos de los materiales.

INGENIERIA DE MATERIALES

Disciplinas de ingenierías que trata del conocimiento de las materiales a niveles fundamentales y aplicados con objeto de que pueden ser convertidos en productos necesario o deseados por una sociedad tecnológica.

Los materiales industriales alcanza un espectro de aplicaciones y están constituidos de la materia prima más diversas y por ello es necesario establecer familia de acuerdo con los criterios establecidos.

Un criterio aceptado universalmente es organizar en familias en función de la naturaleza de los componentes más simples de los materiales como son metálicos, cerámicos, polímeros y electrónicos. Otro criterio es por semejanza de propiedades físicas las que se aplica: propiedades mecánicas de conducción eléctrica, magnética, térmica, nucleares, resistencia a la corrosión, ópticas, etc.

MATERIALES DE LOS METALES – CARACTERISTICAS

1.      Compuestos de sustancias inorgánicas fundamentalmente metales sin incluir los ácidos y sales metálicas.

2.      Tipo de enlace interatómico, estructura cristalina de los metales.

3.      Resistencia aceptable hasta media temperatura.

4.      Deben ser buenos conductores de calor y electricidad.

5.      Deben ser tenaces y deformables.

6.      Deben poseer altas densidades.

7.      Ej. Acero, aluminio, cobre, titanio, súper aleaciones.

CARACTERISTICAS DE MATERIALES NO METALICOS

1.      Están compuestos de sustancias inorgánicas fundamentalmente ácidos y sales metálicas, se excluyen los metales.

2.      El enlace interatómico es iónico.

3.      Deben ser malos conductores de calor y electricidad.

4.      Son frágiles e indeformables.

5.      Soportan altas temperaturas.

6.      Poseen densidades débiles.

7.      Ej. Ladrillos, porcelanas, vidrios, nitruros.

CACTERISTCAS DE MATERIALES POLIMERICOS

1.      Son compuestos de sustancias orgánicas en base al carbono, hidrogeno y oxígeno, y otros elementos no metálicos.

2.      Su tipo de enlace es covalente de largas cadenas lineales, con nula o media cristalinidad.

3.      Son resistentes a baja densidad.

4.      Malos conductores de calor y electricidad.

5.      Son frágiles, tenaces y plásticos.

6.      Ej. Polietileno, poliéster, nailon y otros.

CARACTERISTICAS DE MATERIALES ELECTRONICOS

1.      Compuestos de sustancias inorgánicas de base a silicio, germanio.

2.      Tipo de enlace covalente, con estructura tipo metal.

3.      Tiene propiedades semiconductoras o conductividad condicionada.

4.      Ej. Yodo, chips, transistores.

MATERIALES COMPUESTOS

Son compuestos de 2 o más materiales citados en los apartados anteriores tendientes a mejorar las propiedades débiles en unos y potenciar las fuertes en otro conservando fuertemente su forma inicial.

El material a potenciar la propiedad débil se denomina matriz y el que potencia se denomina refuerzo, el origen es un ejemplo de material reforzado, la matriz del hormigón es reforzada por el refuerzo, para conseguir mejores resultados a la atracción.

SELECCIÓN DE MATERIALES PARA CADA APLICACIÓN

Los materiales compiten unos con otros por su existencia y por los nuevos mercados en algunos periodos de tiempo, aparecen factores que hacen posibles la situación de un material por otro para ciertas aplicaciones. Los factores que facilitan este cambio fundamentalmente son dos:

1.      El costo del producto argumento fundamental para desplazar un producto del mercado junto con el compromiso de la garantía del servicio y el mínimo mantenimiento.

2.      El desarrollo de propiedades especiales inalcanzables para otros.

Por todo ello la investigación de nuevos materiales es una constante de nuestro tiempo en todos los cambios de la ingeniería.

LA INGENIERIA DE MATERIALES INVESTIGA

1.      Materiales que pueden soportar altas temperaturas.

2.      Materiales que pueden conseguir altas características resistentes (aceros micro aleados)

3.      Materiales que pueden aligerar las estructuras como automóviles ferrocarriles usando aluminio, titanio y plásticos.

4.      Procesos de compactación, el metalurgia de polvos en caliente isostático para permitir mejor control para el resultado.

5.      Materiales polímeros conformados por las mezclas de diversos polímeros que combinan las mejores propiedades de ellos.

6.      Proceso de moldeo, por inyección de materiales que permiten mejorar características y costos.

7.      Proceso de inyección por polvos metálicos que permiten conseguir formas más complejas.

8.      Materiales cerámicos que aumentan su intensidad en la línea de las cerámicas llamadas blancas.

9.      Proceso de aplicación de recubrimiento cerámico sobre soporte metálico con el objeto de ganar resistencia al desgaste.

10.  Materiales compuestos de matriz polimérico con refuerzo de diversas composiciones con mayor rigidez y características.

MATERIALES OPTICOS

Aquellos materiales que se utilizan en la fabricación de lentes y de más objetos que tengan que ver con óptica por ejemplo, telescopio, microscopio, fibra óptica, la química es la base para su elaboración porque dependiendo de su composición los materiales ópticos tendrán unas propiedades u otras.

CLASIFICACION

Químicamente los materiales ópticos se clasifican en orgánicos e inorgánicos.

MAT. OPTICOS INORGANICOS

Fabricados a partir de elementos químicos que no sean compuestos de hidrogeno y carbono de este grupo cabe destacar los silicatos cristalinos, formadores de los vidrios de silicato, que son compuestos de dióxido de silicato, combinando diferentes formas.

MAT. OPTICOS ORGANICOS

Su base es la química orgánica los materiales de este grupo son fabricados a partir de compuestos hidrogeno y carbono pueden ser hidrocarburos y polímeros, que son estructuras orgánicas que deben sus propiedades a las largas cadenas moleculares que los componen.

QUE ES EL COLOR

Los materiales transparentes aparecen de color porque absorben selectivamente determinados intervalos de longitud de onda transmitida. Si las absorción es uniforme para todas las longitudes de onda de luz visible, el material aparecerá incoloro, como por ejemplos los vidrios inorgánicos de alta pureza y los diamantes y zafiros mono cristalinos de alta pureza.

La absorción selectiva ocurre por excitación de electrones.

Estas situaciones implican a materiales semiconductores que tienen intervalos prohibidos dentro de la gama de energía de los fotones de la luz visible (de 1.8 a 3.1 electrón volt). De este modo la fracción de la luz  visible superior a eg es absorbida selectivamente por la transición electrónica de la banda de valencia a la banda de conducción. Desde luego parte de la radiación absorbida es eliminada de nuevo cuando los electrones excitados vuelven a caer en sus estados energéticos originales más bajos.

Nos es necesario que la frecuencia de la radiación remitida conocida con la frecuencia de la radiación absorbida. La frecuencia y la energía asociada pueden ser inferiores en los casos de transición múltiples radioactivas o no radioactivas. En consecuencia el color depende de la distribución de frecuencia de los rayos de luz transmitida y remitida.

Por ejemplo:

El sulfuro de cadmio tiene un intervalo prohibido de 2.4 electrón volt por lo tanto, absorbe fotones con energías superiores a 2.a electrón volt que corresponden a las proporciones azul y violeta del espectro visible, parte de esta energía es radicada de nuevo como luz con otra longitud de onda. La luz visible no absorbida consiste en fotones con energía comprendidas entre 1.8 y 2.4 electrón volt. Entonces el sulfuro de cadmio adquiere un color amarillo naranja debido a la composición del haz de luz transmitido.

OPACIDAD Y TRASLUCIDAD DE MATERIALES AISLADORES

El grado de traslucidez u opacidad de los materiales dieléctricos implícitamente transparentes depende de gran parte de sus características de reflexión interna y transmitancia. Muchos materiales dieléctricos que son intricitamente transparentes pueden convertirse en traslucidos o incluso en opacos debido a refracciones internas. Un rayo de luz transmitido es desviado y aparece difuso como consecuencia de los fenómenos de dispersión múltiple.

La opacidad resulta cuándo la dispersión es tan grande que ningún radio incidente se transmite a la superficie opuesta.

LUMINISCENCIA

Luminiscencia es toda luz cuyo origen no radica exclusivamente en las altas temperaturas, por el contrario, es una forma de "luz fría" en la que la emisión de radiación lumínica es provocada en condiciones de temperatura ambiente o baja.

Cuando un sólido recibe energía procedente de una radiación incidente, ésta es absorbida por su estructura electrónica y posteriormente es de nuevo emitida cuando los electrones vuelven a su estado fundamental.

 

 

 

 

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ĉ
sergio moreno,
13 de sept. de 2011 21:57
ĉ
sergio moreno,
5 de oct. de 2011 1:03
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