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INTRODUCCIÓN
En el siguiente trabajo se mostrara el experimento de Reynolds el cual
consiste en demostrar que un fluido se puede clasificar en un fluido laminar y
un fluido turbulento, se descubrió por primera vez en 1883
Cosiste en introducir unas sustancias visibles en el agua en una tubería con
agua y una corriente controlada, para ello se utilizara una válvula reguladora.
Con este experimento se podrádemostrar donde es un régimen laminar y
dondeserá un régimen turbulento, según los datos obtenidos que a
continuación se presentan
Se observara que cuando es una corriente lenta se verá que el régimen es
laminar debido que no existe cambio en el chorro del colorante,
posteriormente se notara que al aumentar la velocidad el régimen cambiara a
turbulento debido a que ya no se apreciara un línea de colorante
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MARCO TEÓRICO
EL EXPERIMENTO DE REYNOLDS
Reynolds en 1883 presentaba el siguiente dilema, en sus extensos trabajos: "Aunque las ecuaciones
de la hidrodinámica sean aplicables al movimiento laminar, o sea sin remolinos, mostrando que
entonces la resistencia es proporcional a la velocidad, no habían arrojado hasta ese entonces
ninguna luz sobre las circunstancias de las cuales dicho movimiento depende. Y, con todo y que en
años recientes estas ecuaciones se habían aplicado a la teoría del torbellino, no se habían aplicado
en lo absoluto al movimiento del agua que es una masa de remolinos, movimiento turbulento, ni
habían ofrecido una pista para descubrir la causa de que la resistencia a tal movimiento varíe como
el cuadrado de la velocidad" y agregaba: "Mientras que, cuando se aplican a olas y al movimiento
del agua en tubos capilares, los resultados teóricos concuerdan con los experimentales, la teoría de
la hidrodinámica había fracasado hasta la fecha en proporcionar la más leve sugerencia acerca del
porqué no logra explicar las leyes de la resistencia encontrada por grandes cuerpos que se mueven a
través del agua con velocidades sensiblemente grandes, o por el agua en tuberías bastante anchas"
Reynolds buscaba determinar si el movimiento del agua era laminar o turbulento, existen
varias influencias para el orden, como su viscosidad o aglutinamiento, cuando más glutinoso sea el
fluido, menos probable es que el movimiento regular se altere en alguna ocasión. Por otro lado
tanto la velocidad y el tamaño son favorables a la inestabilidad, cuanto más ancho sea el canal y
más rápida la velocidad mayor es la probabilidad de remolinos. La condición natural del flujo era,
para Reynolds, no el orden sino el desorden; y la viscosidad es el agente que se encarga de destruir
continuamente las perturbaciones. Una fuerte viscosidad puede contrarrestarse con una gran
velocidad.
Reynolds bajo el punto de vista dimensional y con las ecuaciones fundamentales del movimiento
comenzó a resolver dichas dudas. A presión constante, pensó, las ecuaciones del movimiento de un
fluido equilibran el efecto de inercia, representado por la energía cinética contenida en la unidad de
volumen, rU2
, con el efecto viscoso, representado por el esfuerzo de Newton, mU/c, donde U es la
velocidad media y c una longitud característica de la corriente en estudio (el diámetro del tubo por
ejemplo). Dio origen al siguiente parámetro llamado "Número de Reynolds":
Efecto de inercia/Efecto viscoso = rU2
/(mU/c) = rUc/m
Resulta ser un parámetro sin dimensiones, capaz de cuantificar la importancia relativa de las
acciones mencionadas: un valor pequeño indica que los efectos viscosos prevalecen, con lo que el
escurrimiento será probablemente laminar, un valor grande, es seña de que predomina la inercia,
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sugiere un comportamiento turbulento. Debe pues existir un valor intermedio –concluía Reynolds-
que separe los dos regímenes; y este identificará no solo la velocidad crítica, conociéndose la
viscosidad y la longitud característica,sino también la viscosidad y la velocidad críticas, dados los
valores de los otros dos parámetros. Había ahora que acudir al experimento para confirmar esta
previsión.
Entonces se propuso determinar bajo que condiciones se produce el escurrimiento laminar y el
turbulento, siendo que este ultimo se caracteriza por la presencia de remolinos y el otro no, la
primera idea que se le ocurrió fue visualizar con colorante. Construyo, con un tubo de vidrio de 6
mm de diámetro, un sifón ABC con una entrada abocinada en A y válvula de control en C, que
llenó de agua; e introdujo su brazo corto AB en el agua de un vaso V. Por otro lado, instalo un
deposito de liquido coloreado D, provisto de un tubo EF, también de 6mm, terminado en una
angosta boquilla cónica que penetraba en el centro de la boca A. El suministro de este líquido se
controlaba por medio de la pinza P.
Luego de dejar todo el sistema lleno de agua durante varias horas, para
asegurarse que todo movimiento interno cesara,se abría poco a poco la
pinza. El líquido colorado salía de la boquilla F, primero adquiriendo la
forma de la llama de una vela, luego alargándose, hasta volverse un
filamento muy delgado que al permitirse el desagüe por C se extendía por
todo el sifón. A la válvula C se le daban aperturas siempre mayores, para que
aumentara la velocidad del agua en el sifón; y al mismo tiempo se
incrementaba el suministro de colorante, a fin de que el filete se mantuviera
visible. Contrariamente a lo previsto, con la máxima abertura de la válvula,
este último se mantenía todavía perfectamente claro y estable a lo largo de
todo el tubo, sin el menor asomo de perturbaciones en la corriente. Se
prolongó el brazo BC hasta casi tocar el piso para aumentar aun más la
velocidad; pero nada, el filete no se alteraba en lo más mínimo.
Evidentemente el diámetro, de un cuarto de pulgada, escogido para el sifón
era demasiado reducido, el flujo no pasaba de laminar. Entonces Reynolds
decidió usar un tubo de una pulgada. Pero hacer un sifón de vidrio de este diámetro no era fácil; y
se le ocurrió una solución mucho más simple:
El primer ensayo se pudo realizar el 22 de Febrero de 1880. Reynolds y Foster llegaron temprano,
llenaron el tanque con una manguera y, de las 10 de la mañana a las dos de la tarde,lo dejaron
descansar para que el agua se tranquilizara. Luego se empezó el experimento de la misma forma
que las primeras tentativas. Se permitió al tinte fluir muy despacio, y se abrió un poco la válvula. El
filamento coloreado se estableció como antes (Fig a) y permaneció muy estable al crecer la
velocidad; hasta que de repente con una leve apertura de la válvula, en un punto situado más o
menos dos pies antes del tubo de hierro, el filamento se expandió y se mezcló con el agua, hasta
llenar el resto del conducto con una nube coloreada, que a primera vista parecía como un tinte
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uniforme (Fig b). Sin embargo, un examen más cuidadoso revelo la naturaleza de esa nube:
moviendo el ojo a modo de seguir el avance de la corriente, la expansión del filete coloreado se
deshizo en movimiento ondulatorio del filamento bien definido, primero sin mayores disturbios;
luego; después de dos o tres ondas apareció una secuencia de remolinos aislados y perfectamente
claros (Fig c). Se les podía reconocer bastante bien al seguirlos con los ojos; pero se distinguían
mejor con el destello de un chispazo, cerrando un poquito la válvula, los remolinos desaparecieron,
y el filete coloreado se reconstituyó.
Así, se habían podido producir en un mismo tubo, con solo variar la velocidad, los dos regímenes,
laminar y turbulento. Pero el mismo resultado debía obtenerse al calentar el agua, y así reducir su
viscosidad. El cuarto donde se realizaban los experimentos estaba a una temperatura de 8.3°C, y
esta era también la temperatura del agua; con un chorro de vapor Reynolds consiguió elevarla a
21°C, reduciendo 1.39 veces la viscosidad. Aumentando poco a poco la velocidad, determino en
ambos casos el valor crítico con el cual empezaba a transformarse el movimiento laminar y
encontró que en el segundo la velocidad critica era 1.45 veces menor que en el primero.
Aunque esta concordancia fuera aceptable, considerando la naturaleza del ensayo, Reynolds quedó
con la idea de que en el tanque calentado debía manifestarse algunas perturbaciones adicionales:
unas podían resultar de la diferencia de temperatura entre el agua y el medio ambiente, por lo cual
la superficie libre del agua y aquellas en contacto con las paredes sufrirían un enfriamiento, que a
su vez podría crear una circulación dentro del tanque. Otras perturbaciones se debían al gradiente de
temperatura en el tanque mismo, ya que está, en el fondo, llegaba a ser hasta 5°C más alta que en la
superficie. Reynolds prefirió enfriar el agua hasta su máxima densidad, 4°C agregándole hielo. El
experimento comprobó que en todos los casos sí existe una velocidad crítica, y que esta varía en
proporción directa con la viscosidad del flujo. Por otro lado, ensayos realizados, además del de una
pulgada, con otros dos tubos, de media y un cuarto, permitieron concluir que la velocidad
mencionada es inversamente proporcional al diámetro del tubo, confirmando así que el flujo
laminar se empieza a alterar por un valor bien definido del parámetro rUD/m.
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IMPLEMENTACIÓN
Para poder realizar este experimento lo primero que se tiene que realizar es seleccionar
los materiales los cules utilizaras en este caso los materiales utilizados fueron
Un garrafón de 17 litros
2 metros de manguera transparente de ½ pulgada
1 válvula reguladora
2 Conectores
1 Jeringa de 10 ml
Tinta
Luego de tener todos los materiales, ahora procedemos a realizar dos orificios al garrafón,
uno en la parte inferior que será donde salga el fluido y otro en la parte superior que será
el desagüe, este desagüe nos permitirá tener un volumen constante en el garrafón.
Después de haber realizado los orificios procedemos a poner los conectores.
Lo siguiente lo cual realizamos fue cortar los dos metros de manguera en 3 partes dos
partes e a medio metro y una de a un metro, de halla conectamos una parte de medio
metro al rebosadero y la otra parte a la salido del flujo, luego a la que está a la salida de
flujo le conectamos la valvula reguladora, por ultimo en la salida de la valvula reguladora
le conectamos el metro de manguera sobrante.
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Pr ultimo lo que realizamos fue llenar el garrafón hasta alcanzar el volumen constate el
cual el orificio de desagua nos permitia lograr, y de halla abrir la valvula regladora para
poder controlar la velocidad con el cual el flujo saldrá. Una vez hecho esto se inserta la
jeringa con la tinga ya puesta e la aguja, se inserta en la parte mas cercana a donde el
flujo sale del garrafón, luego se abre la valvula reguladora poco a poco y se le va
inyectando tinta y a continuación verán el flujo laminal y turbulento según como habrán la
valvula.
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CONCLUSIÓN
Para concluir este experimento se llega a que el número de Reynolds se relaciona
directamente con el régimen hidráulico, en un fluido se pueden distinguir dependiendo de la
velocidad y el caudal 3 tipos de regímenes donde se ubican:
El régimen laminar: que es cuando se forma literalmente un hilo de colorante dentro de la
tubería, porque la velocidad es baja
El régimen transitorio: cuando el hilo de colorante se empieza a deformar creando
ondulaciones y deformaciones que se aprecian en el procedimiento
El régimen turbulento: es a que cuando ya no se muestra un hilo de colorante, esto debido
al incremento en la velocidad y esto a su vez se muestra en el procedimientos y según los
datos los valores obtenidos se encuentran dentro delo establecido
