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Un informe de laboratorio sobre la determinación experimental de la curva de energía específica y la curva de fuerza específica en un canal rectangular. Se explica la teoría detrás de estos conceptos, incluyendo las ecuaciones y fórmulas relevantes. Se describe el procedimiento de laboratorio seguido, los cálculos realizados y los resultados obtenidos, como la clasificación del régimen de flujo, la determinación del tirante crítico y la energía y fuerza específica mínimas. El documento incluye gráficas de las curvas obtenidas y conclusiones sobre el comportamiento del flujo en el canal. Además, se plantean ejercicios y tareas adicionales para profundizar en el tema. Este informe de laboratorio sería útil para estudiantes de ingeniería civil, hidráulica o afines, que buscan comprender y aplicar los conceptos de energía y fuerza específica en flujos en canales abiertos.
Tipo: Monografías, Ensayos
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¡No te pierdas las partes importantes!
Laboratorio N°
ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
I. Objetivos
1.1. El objetivo de la práctica consiste en determinar experimentalmente la curva “ y vs E ”
(Tirante vs Energía especifica) y la curva “ y vs F” ( Tirante Vs Fuerza especifica), del
flujo en un canal rectangular.
II. Fundamento Teórico
2.1. Energía Específica
La energía de corriente de una sección determinada es:
2
Donde:
𝑦: Tirante hidráulico
𝛼: Coeficiente de Coriolis
𝑉: Velocidad media del flujo
𝑔: Gravedad
Se considera 𝛼 = 1 y se tiene en cuenta la ecuación de continuidad
Donde:
Q= Caudal.
A = Área
Reemplazando en la ecuación (1) se obtiene la energía en función del gasto Q y el área
A de la sección transversal:
2
2
Siendo 𝐴 = 𝑏𝑦 , (𝑏 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙)
La energía específica según la ecuación ( 2 ) es una función del caudal Q y del tirante y.
Si se considera el caudal cte. y se hace variar el tirante, se obtienen valores de y vs E.
Laboratorio N° ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
Estos valores se pueden llevar a un gráfico obteniéndose la curva de energía específica a
caudal constante, la cual posee las siguientes características:
La curva es asintótica al eje horizontal y a una recta inclinada a 45° (Asíntota 𝐸 = 𝑦); y
posee 2 ramas y un valor mínimo de la energía.
Figura 1
Gráfico de la Energía Especifica a gasto constante (curva E-y)
Nota : Tomado de Rocha Felices.
Para un mismo valor de E existen 2 valores posibles del tirante del escurrimiento, los
cuales son y 1 e y 2 , que se denominan tirantes alternos.
Al tirante correspondiente a Emin .
se le llama tirante crítico y a la velocidad
correspondiente, velocidad crítica; tratándose de un canal rectangular se puede
demostrar que el tirante crítico es igual a:
𝑐
2
3
Laboratorio N°
ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
Es la ecuación de la fuerza específica, que también se denomina “función momentum” o
“cantidad de movimiento específico”. Las dimensiones de la fuerza específica son las del cubo
de una longitud.
Para el caso de un canal rectangular: 𝑦̅ =
𝑦
2
; donde y es el tirante en la sección considerada.
Si se considera un caudal constante y se hace variar el tirante, se obtienen valores de y vs. M.
Estos valores se pueden llevar a un gráfico, obteniéndose la curva de fuerza específica a caudal
constante.
Figura 2
Curva de fuerza especifica Vs Tirante.
Esta curva posee dos ramas, AC y BC. La rama AC es asintótica al eje horizontal hacia la
derecha. La rama BC aumenta hacia arriba y se extiende indefinidamente hacia la derecha. Para
cada valor determinado de la fuerza específica la curva presenta dos tirantes posibles, y 1
e y 2
los cuales se denominan tirantes conjugados. En el punto C, la fuerza específica es mínima y
el tirante es el tirante crítico.
Laboratorio N° ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
III. Equipos e Instrumentos
3.1. Canal de pendiente variable.
3.2. Vertedero triangular.
3.3. Limnímetro.
Laboratorio N°
ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
3.8. Regla graduada de pendientes 3.9. Regulador de pendiente
IV. Procedimiento
4.1.Procedimiento de laboratorio
Considerando un flujo permanente y uniforme para cada medición, se realizó el siguiente
procedimiento con el equipo de laboratorio.
a) Primero debemos asegurarnos de la cisterna este llena de agua (18 m
3
Laboratorio N°
ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
b) Se debe levantar la llave del termomagnético, para dar energía al equipo de laboratorio.
c) En el tablero de control, se debe encender y ajustar un valor de flujo igual a 30.
d) Una vez conseguido equilibrio en el flujo del equipo de laboratorio, se mide la carga de
agua en el vertedero triangular, a través de una regla graduada. Con esto de hallará el caudal
de la tabla adjunta, si no se tiene el valor exacto se hallará por interpolación.
Laboratorio N° ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
4.2. Procedimiento de Gabinete
a) Se registro los datos de los ensayos con su pendiente respectivo.
b) Según el cuadro de ℎ(𝑚𝑚) − 𝑄𝑚(𝐿/𝑠), se obtiene el valor de caudal haciendo
una interpolación.
𝑚
3
c) Se registró la tabla de datos experimentales de laboratorio.
Ensayo S
N°
1 0.
2 0.
3 1
4 2
5 4
6 6
7 7
Laboratorio N° ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
d) Se determina el valor de la Velocidad en cada caso, a través de la fórmula:
𝑚
3
e) A través de las fórmulas de Energía específica, Fuerza específica y N° de
Froude, se clasifica el régimen de flujo.
2
𝑆
2
2
𝑟
𝐹 < 1 , 𝑟é𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝑠𝑢𝑏𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜
𝐹 = 1 , 𝑟é𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜
𝐹 > 1 , 𝑟é𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜
f) Con los valores de E(y) y M(y), se grafica las curvas: “y” vs. “E(y)”, también
“y” vs. “M(y)”. Considerando Q=cte.
Fondo(Cm) Superficie (Cm)
1 0.125 13.28 17.16 3.
2 0.25 13.28 17.05 3.
3 1 13.28 16.71 3.
4 2 13.28 16.25 2.
5 4 13.28 15.75 2.
6 6 13.28 15.35 2.
7 7 13.28 15.4 2.
Tiante Medido
Ensayo N° S(%) Tirante Y
Laboratorio N°
ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
Tabla 1
Registro de datos de Laboratorio.
VI. Cálculos y Presentación de Resultados
Fórmulas para los cálculos:
Fuerza específica: M =
𝑸
𝟐
𝒈𝑨
̅
𝑨
Energía especifica: 𝑬
𝒔
=Y +
𝑸
𝟐
𝟐𝒈𝑨
𝟐
Numero de Froude:
𝑭
𝒓
=
𝑽
√
𝒈
𝑨
𝑻
Tabla 2
Resultado de los cálculos del Laboratorio “Energía Especifica”
Ensayo S Y
N° (cm.)
1 0.125 3.
2 0.25 3.
3 1 3.
4 2 2.
5 4 2.
6 6 2.
7 7 2.
Ensayo S y V Ey My Nro. Froude Régimen del flujo
N° (m) (m/s)
1 0.00125 0.03880 0.77805 0.069655 0.00038394 1.26112982 flujo supercritico
2 0.0025 0.03770 0.80076 0.070382 0.00038733 1.31672584 flujo supercritico
3 0.01 0.03430 0.88013 0.073782 0.00040220 1.51728165 flujo supercritico
4 0.02 0.02970 1.01645 0.082359 0.00043542 1.88309708 flujo supercritico
5 0.04 0.02470 1.22221 0.100836 0.00049607 2.48291559 flujo supercritico
6 0.06 0.02070 1.45838 0.129104 0.00057366 3.23632305 flujo supercritico
7 0.07 0.02120 1.42399 0.124551 0.00056203 3.12250824 flujo supercritico
Tirante vs Energía Especifica
Tirante(m)
ENERGÍA ESPECIFICA
Laboratorio N°
ENERGÍA Y FUERZA ESPECÍFICA
VIII. Conclusiones
un régimen supercrítico en el canal rectangular de flujo uniforme.
supercrítico, según la gráfica teórica de “y” vs. “E(y)”.
supercrítico, según la gráfica teórica de “y” vs. “M(y)”.
menores valores de tirante “y”.
cte, fue 𝐸𝑚í𝑛 = 0. 04529 𝑚, con un tirante crítico igual a 0.0 6794 m.
IX. Recomendaciones
laboratorio, ya que una mala manipulación dará datos erróneos o provocará fallas
en la máquina.
esperar a que haya un “equilibrio” para poder realizar las mediciones.
todas las mediciones de los tirantes.
X. Cuestionario 10.1. Graficar en papel milimetrado, la energía específica “E” y la Fuerza Específica “M” en abscisas y los tirantes “Y” en ordenadas. Tirante(m) ENERGÍA ESPECIFICA Tirante(m)
- 0. - 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0. - 0.00040.00040.00040.00040.00040.00050.00050.00050.00050.00050.00060.