Medida de la viscosidad de un fluido (I)
En esta página, se simula una práctica de laboratorio, la medida de la viscosidad de un fluido, que es muy ilustrativa para los estudiantes de un curso introductorio de Física, ya que han de realizar medidas con distintos instrumentos:
- El diámetro de un perdigón que tiene forma esférica con un calibre o con un micrómetro.
- La densidad del material con el que
están hechos los perdigones (plomo) con una balanza hidrostática.
- La densidad del fluido con un aparato denominado aerómetro o densímetro.
- Finalmente, con un cronómetro se mide el tiempo que tarda la pequeña esfera en recorrer una distancia dada en el interior del tubo vertical que contiene el fluido.
En la simulación de esta experiencia, se suministran los datos de la densidad del material del que están hechos los perdigones y la densidad del fluido (aceite de automóvil).
El programa interactivo genera al azar el diámetro del perdigón entre ciertos límites. El usuario solamente tiene que dejar caer la bolita en la columna de fluido (pulsando el botón Empieza), y medir el tiempo que tarda dicha esfera en desplazarse entre dos marcas, pulsando en los botones que ponen en marcha y paran el cronómetro respectivamente. La distancia entre las marcas se puede modificar actuando con el ratón sobre la flecha inferior, la flecha superior es fija.
Una vez que se ha medido el tiempo, se usa la calculadora para obtener el valor de la viscosidad a partir de la fórmula de la velocidad límite constante.
Descripción
Supondremos que la bolita ha alcanzado la velocidad límite constante cuando pasa por la marca superior, momento en el que se empieza a contar el tiempo. El valor de dicha velocidad se obtiene dividiendo el desplazamiento x entre el tiempo en el que tarda el móvil en desplazarse t.
Como se ha explicado en la página anterior, la expresión de la velocidad límite se obtiene cuando la resultante de las fuerzas que actúan sobre la esfera es cero.
Antes de realizar el cálculo, se deberá expresar todos los datos en el Sistema Internacional de unidades de medida:
- La velocidad límite vl en m/s,
- La densidad de la esfera ρe y del fluido ρf en kg/m3 (se proporciona el dato de la densidad en g/cm3).
- El radio R de la esfera en m (se proporciona el valor del diámetro en mm).
- Finalmente, se despejará la viscosidad η y se expresará en las unidades correspondientes.
Actividades
Se pulsa el botón Empieza para depositar una bolita en la columna de fluido. Las bolitas tienen un diámetro que está establecido por el programa mediante números aleatorios dentro de ciertos límites.
- Cuando la bolita pase por la marca superior, se pulsa el botón que pone En marcha el cronómetro.
- Cuando la bolita pase por la marca inferior, se pulsa el botón que Para el cronómetro.
Se modifica si se desea la distancia entre las marcas en el tubo de fluido, pulsando el botón izquierdo del ratón cuando el puntero está sobre la marca inferior. Se mantiene pulsado el botón izquierdo del ratón, y se arrastra, hasta llevar la flecha a la posición deseada. Finalmente, se deja de pulsar el botón izquierdo del ratón.
Se pulsa el botón titulado Respuesta para comparar el valor calculado de la viscosidad y el valor generado por el programa interactivo.
Se experimenta con bolitas de distinto diámetro.
- Se anota para cada experiencia la distancia entre marcas (por defecto, la distancia entre marcas es de 50 cm), el tiempo, y los datos sobre el fluido y los referentes al material del perdigón. Completando la siguiente tabla.
Densidad del fluido 0.88 g/cm3 = 880 kg/m3
Densidad del plomo 11.35 g/cm3 = 11350 kg/m3
| Diámetro (m) | Desplazamiento (m) | Tiempo (s) | Velocidad límite (m/s) | Viscosidad (kg/m·s) |
- Se calcula el valor medio de los valores obtenidos de la viscosidad.
Ejemplo:
Empleamos una bolita de plomo (ρe=11.35 g/cm3)
de 3.7 mm de diámetro o R=1.85 mm, y la dejamos caer en una columna de aceite de
densidad ρf=0.88 g/cm3). El tiempo que tarda la esfera en
desplazarse x=50 cm es de t=4.57 s. Calcular la viscosidad η.
Al pulsar el botón Respuesta, el programa interactivo nos da el valor de η=0.72 kg/(m·s)
Nota: la viscosidad del fluido es generada por el programa interactivo mediante números aleatorios dentro de ciertos límites. Por tanto, los valores de la viscosidad obtenidos no coincidirán en general para dos usuarios distintos, ni cuando se repite la práctica simulada.