Problemas21

R E F E R E N C IA S

1. Taylor. Barry N., ed. 2001. The International System o f Units (SI) (NIST Special Publieation 330). Washington, DC: Na- ’ tional Instituto of Standards and Technology, U.S. Depart­ment of Commerce.

2. ASTM International 2000. Standard D 287(2000)e: Standard Test Method fo r API Gravity o f Crude Petroleum and Petro­leum Products (Hydrometer Method). West Conshohocken, PA: Author.

3 . 1997, Standard D 1217-93: Standard Test Methodfor Density and Relative Density (Specific Gravity) o f U- quids by Bingham Pycnometer. West Conshohocken, PA: Author.

4 . 2002, Standard D 6822-02: Standard Test Methodfor Density. Relative Density (Speeific Gravity), or API Gra­vity o f Crude Petroleum and Liquid Petroleum Products by Hydrometer Method. West Conshohocken, PA: Author.

5 . 2002. Standard D 1480-02: Standard Test Methodfor Density and Relative Density (Specific Gravity) o f Vis-

tous Materials by Bíngltam Pycnometer. West Conshohoc­ken. PA: Author.

6- --------- 2002. Standard D ¡481-02: Standard Test Methodfor Density and Relative Density (Specific Gravity) of Vis- cous Materials by Lipkin Bicapillary Pycnometer. West Conshohocken. PA: Author.

7. Avallone. Eugene A. y Theodore Baumeister III, eds. 1996. Maiks Standard Handbook for Mechanical Engineers. lOth. ed. New York: McGraw-Hill.

8. Bolz, Ray E. y George L. Tuve. eds. 1973, CRC Handbook of Tables for Applied Engineering Science. 2nd ed. Boca Ra­tón, FL: CRC Press.

9. Heald, C. C., ed. 2002. Cameron Hydraulic Data, 19lh ed. Irving, TX: Flowserve. [Ediciones anteriores fueron publica­das por Ingersoll-Dres.ser Pump Co.. Liberty Comer, NJ.]

10. Lide, David R., ed 2003. CRC Handbook o f Chemistrx and Phvsics, 84lh ed. Boca Ratón, FL: CRC Press.

SITIOS DE INTERNET

1. Hydraulic Institute (HI) www.pumps.org HI es una asocia­ción no lucrativa que atiende la industria del bombeo. Pro­porciona estándares para productos en Estados Unidos y en todo el mundo.

2. ASTM International www.astm.org ASTM establece es­tándares para varios campos, inclusive la mecánica de flui­dos. En este libro citamos bastantes estándares de ASTM relacionados con métodos de prueba y propiedades de los fluidos.

3. Flow Control Network www.jlowcontrolnetwork.com El sitio web de Flow Control Magazine es una fuente de infor­

mación sobre la tecnología del flujo de fluidos, aplicaciones de la mecánica de fluidos y productos para medir, controlar y contener líquidos, gases y polvos. También incluye enlaces con organizaciones de estándares importantes para la indus­tria de los fluidos.

4. GlobalSpec www.globalspec.com Este sitio posee una base de datos para la búsqueda de una variedad amplia de productos técnicos para bombas, y control y medición de flujos.

PROBLEMAS

F actores de conversiónL1 Convierta 1250 milímetros en metros.L2 Convierta 1600 milímetros cuadrados en metros cua­

drados.13 ¿Cuál es el equivalente de 3.65 X 103 milímetros cúbi­

cos en metros cúbicos?1.4 Convierta 2.05 metros cuadrados en milímetros cua­

drados.1.5 Convierta 0.391 metros cúbicos en milímetros cúbicos.1.6 Convierta 55.0 galones en metros cúbicos.1.7 Un automóvil se mueve a 80 kilómetros por hora. Calcu­

le su velocidad en metros por segundo.1.8 C( mvierta una longitud de 25.3 pies en metros.1.9 Convierta una distancia de 1.86 millas en metros.

1.10 Convierta una longitud de 8.65 pulgadas en milímetros.L I1 Convierta 2580 pies en metros.

1.12 Convierta un volumen de 480 pies cúbicos en metros cúbicos.

1.13 Convierta un volumen de 7390 centímetros cúbicos en metros cúbicos.

1.14 Convierta un volumen de 6.35 litros en metros cúbicos.1.15 Convierta 6.0 pies por segundo en metros por segundo.1.16 Convierta 2500 pies cúbicos por minuto en metros cú­

bicos por segundo.

(Nota: En todos los problemas y ejercicios de este libro se mane­jarán unidades tanto del SI como del Sistema Tradicional de Esta­dos Unidos. Si empleamos unidades del SI aparecerá lina “M des­pués del número del problema, y éste se hallará impreso en letras cursivas. Si manejamos unidades del Sistema Tradicional de Uni­dades de Estados Unidos, al número del problema seguirá una “E". En caso de que se emplee una combinación de ambos sistemas de unidades en un problema, al número de éste seguirá una “C .)

l 'n id m le s consisten tes en una ecuaciónUn cuerpo que se mueva a velocidad constante obedece la rela­ción .v = vt. donde .s = distancia, v = velocidad y / — tiempo.1.I7M Un carro recorre 0.50 km en 10.6 s. Cálenle su veloci­

dad promedio en m/s.1.18M En un intento por romper un récord de velocidad, un

automóvil recorre 1.50 km en 5.2 s. Calcule su veloci­dad promedio en km/h.

1.19E Un coche recorre 1000 pies en 14 s. Calcule su veloci­dad promedio en mi/li.

1.20E Al tratar de romper un récord de velocidad, un automóvil viaja 1 mi en 5.1 s. Calcule su velocidad promedio en mi/li.

Un cuerpo que parta del reposo, con aceleración constante, se mueve de acuerdo con la relación s = 'Aat2. donde s = distan­cia. a = aceleración y t = tiempo.I.2IM Si un cuerpo recorre 3.2 km en 4.7 min con aceleración

constante, calcule su aceleración en m/s2.1.22M Se deja caer un cuerpo desde una altura de 13 ni. Si se

ignora la resistencia del aire, ¿cuánto tiempo tomaría al cuerpo llegar al piso ? Use un valor de a = g — 9.81 m/s2.

1.23C Si un cuerpo recorre 3.2 km en 4.7 min con aceleración constante, calcule su aceleración en pies/s2.

1.24E Se deja caer un objeto desde una altura de 53 pulg. Ig­nore la resistencia del aire y calcule el tiempo que pasa­ría antes de que el cuerpo llegara al suelo. Use a = g =32.2 pies/s2.

La fórmula para calcular la energía cinética es EC = '/ if íir , donde m = masa y v = velocidad.1.25M Calcule la energía cinética en N-m de una masa de 15

kg si tiene una velocidad de 1.20 m/s.I.26M Calcule la energía cinética en N-m de un camión de

3600 kg que se mueve a l ó km/li.1.27M Calcule la energía cinética en N-m de una caja de 75 kg,

en una banda transportadora que se mueve a 6.85 m/s.1.28M Calcule la masa de un cuerpo en kg, si tiene una ener­

gía cinética de 38.6 N-m, cuando se mueve a 31.5 km/h.1.29M Calcule la masa de un cuerpo en gramos, si cuando se

mueve a 2.25 m/s tiene una energía cinética de 94.6 mN'm.I.30M Calcule la velocidad en m/s de un objeto de 12 kg, si

tiene una energía cinética de 15 N-m.1.31M Calcule la velocidad en m/s de un cuerpo de 175 gra­

mos, si tiene una energía cinética de 212 mN'm.1.32E Calcule la energía cinética en pie-lb de una masa de I

slug, si tiene una velocidad de 4 pies/s.1.33E Calcule la energía cinética en pie-lb de un camión de

8000 Ib que se mueve a 10 mi/h.134E Calcule la energía cinética en pie-lb de una caja de 150

Ib que va en una banda transportadora que se mueve a 20 pie.s/s.

22 Capítulo I La naturaleza

I.35E Calcule la masa de un cuerpo en slugs, si tiene una enCr gía cinética de 15 pie-lb cuando se mueve a 2.2 pie^

1.36E Calcule el peso de un cuerpo en Ib, si tiene una enen* cinética de 38.6 pie-lb cuando se mueve a 19.5 mi/h

1.37E Calcule la velocidad en pies/s, de un objeto de 30 ib • su energía cinética es de 10 pie-lb.

1.38E Calcule la velocidad en pies/s, de un cuerpo de 6 oz si tiene una energía cinética de 30 pulg-oz.

Una forma de medir el rendimiento de un lanzador de béisbol es calcular su promedio de carreras otorgadas (ERA). Es el núme­ro promedio de carreras permitidas si todas las entradas lanzadas se convirtieran al equivalente de juegos de nueve entradas. Por tanto, las unidades de ERA son carreras por juego.

1.39 Si un lanzador permitió 30 carreras durante 141 entra­das, calcule su ERA.

1.40 Un lanzador tiene un ERA de 3.12 carreras/juego, y ha lanzado 150 entradas. ¿Cuántas carreras ha permitido?

1.41 Un lanzador tiene un ERA de 2.79 carreras/juego, y ha permitido 40 carreras. ¿Cuántas entradas se han lanzado?

1.42 Un lanzador ha permitido 49 carreras durante 123 entra­das. Calcule su ERA.

D efinición de p resió n

1.43E Calcule la presión que ejerce un émbolo que aplica una fuerza de 2500 Ib, en el aceite que se encuentra dentro de un cilindro cerrado. El émbolo tiene un diámetro de3.00 pulg.

1.44E Un cilindro hidráulico debe ser capaz de aplicar una fuerza de 8700 Ib. El diámetro del émbolo es de 1.50 pulg. Calcule la presión que requiere el aceite.

1.45M Calcule la presión que produce un émbolo que aplica una fuerza de 12.0 kN, en el aceite contenido en un ci­lindro cerrado. El diámetro del émbolo es de 75 nun.

1.46M Un cilindro hidráulico debe poder ejercer u n a fuerza &38.8 kN. El émbolo tiene un diámetro de 40 mm. Calcu­le la presión que necesita el aceite.

1.47E El elevador hidráulico de un taller de servicio de auto­móviles tiene un cilindro cuyo diámetro es de 8.0 pulg. ¿Cuál es la presión que debe tener el aceite para poder levantar 6000 Ib?

1.48E Una prensa de monedas se emplea para producir meila- lias conmemorativas con las efigies de todos los preM* dente.s de Estados Unidos. El proceso de acuñaroiento requiere que se aplique una fuerza de 18 000 Ib. El c* lindro hidráulico tiene un diámetro de 2.50 pulg- Calcu le la presión que necesita el aceite.

1.49M La presión máxima que cierto cilindro c o n fluido di’ P°

tencia puede desarrollar es de 20.5 MPa. Calcule lafill'r' za que ejerce su émbolo, si tiene un diámetro de 50 »l,,i

de los Huidos y el estudio de su mecánica

1.50E La presión máxima que cierto cilindro con Huido de po­tencia puede ejercer es de 6000 psi. Calcule la fuer/a que aplica si el diámetro de su émbolo es de 2.00 pulg.

1.51E La presión máxima que ha de ejercer un cilindro con Huido de potencia es de 5000 psi. Calcule el diámetro que requiere el émbolo, si el cilindro debe aplicar una fuer/a de 20 000 Ib.

1.52M La presión máxima de cierto cilindro con fluido de po­tencia es de 15.0 MPa. Calcule el diámetro que lia de Wner el émbolo, si el cilindro debe ejercer una fuerza de 30 kN.

1.53E Una línea de cilindros con fluido de potencia tiene un ran­go de diámetros con incrementos de 1.00 pulg, y van deI .(X) a 8.00 pulg. Calcule la fuerza que podría ejercer ca­da cilindro con una presión de Huido de 500 psi. Dibuje una gráfica de la fuerza versus el diámetro del cilindro.

1.54E Una línea de cilindros con Huido de potencia tiene un ran­go de diámetros con incrementos de 1.0 pulg, y van de1.00 a 8.00 pulg. Calcule la presión requerida por cada ci­lindro, si éste debe ejercer una fuerza de 5000 Ib. Dibuje una gráfica de la presión versus el diámetro del cilindro.

1.55C Calcule su propio peso corporal en newtons. Des­pués. calcule en pascales la presión que se generaría sobre el aceite de un cilindro de 20 mm de diámetro, si usted se parara en el émbolo. Convierta la presión resul­tante en psi.

1.56C Para la presión que se calculó en el problema 1.55, calcule en newtons la fuerza que podría ejercer sobre un émbolo de 250 mm de diámetro. Luego, convierta la fuerza resultante en libras.

M ódulo v o lu m é trico1.57C Calcule el cambio de presión necesario para ocasionar

una disminución de 1.00%, en un volumen de alcohol etílico. Exprese el resultado, en psi y en MPa.

1.58C Calcule el cambio de presión necesario para hacer que un volumen de mercurio disminuya el 1.00%. Exprese el resultado en psi y en MPa.

1.59C Encuentre el cambio de presión necesario para hacer que el volumen de aceite en una máquina disminuya el 1.00%. Exprese el resultado en psi y en MPa.

1.60E Bajo las condiciones que se describen en el problema 1.59, suponga que el cambio de 1.00% en el volumen ocurrió en un cilindro con diámetro interior de 1.00 pulg y longi­tud de 12.00 pulg. Calcule la distancia axial que recorrería el émbolo conforme ocurriera el cambio de volumen.

Í.6 IE Cierto sistema hidráulico opera a 3000 psi. Calcule el cambio porcentual en el volumen del aceite del sistema, conforme la presión se incrementa de cero a 3000 psi, si el aceite de la máquina es similar al que se menciona en la tabla 1.4.

1-62M Cierto sistema hidráulico opera a 20.0 MPa. Calcule el cambio porcentual del volumen del aceite del sistema,

Problemas 23

si el aceite de la máquina es similar al que se presenta en la tabla 1.4.

1.63E La medición de la rigidez de un sistema actuador lineal es la cantidad de fuerza requerida para ocasionar cierta deflexión lineal. Calcule la rigidez en lb/pulg de un ac­tuador lleno de aceite de máquina, cuyo diámetro inte­rior es de 0.50 pulg y tiene una longitud de 42.0 pulg.

1.64E Vuelva a resolver el problema 1.63. pero cambie la lon­gitud del cilindro a 10.0 pulg. Compare ambos resultados.

1.65E Repita el problema 1.63, pero cambie el diámetro del cilindro a 2.00 pulg. Compare ambos resultados.

1.66E Con los resultados de los problemas 1.63, 1.64 y 1.65, genere un enunciado acerca del enfoque general de di­seño para lograr un sistema muy rígido.

F u e rza y m asa

1.67M Calcule la masa de una lata de aceite que pesa 610 N.1.68M Calcule la masa de un tanque de gasolina cuyo peso es

de 1.35 kN.1.69M Calcule el peso de 1 m* de keroseno si su masa es de

825 kg.1.70M Calcule el peso de una jarra de aceite de ricino que tie­

ne una masa de 450 g.I.71E Calcule la masa de I gal de aceite que pesa 7.8 Ib.1.72E Calcule la masa de I pie3 de gasolina, si su peso es de

42.0 Ib.1.73E Calcule el peso de 1 pie3 de keroseno cuya masa es de

1.58 slugs.1.74E Calcule el peso de I gal de agua si tiene una masa de

0.258 slug.1.75C Suponga que un hombre pesa 160 Ib (fuerza).

a. Calcule su masa en slugs.b. Calcule su peso en N.c. Calcule su masa en kg.

1.76C En Estados Unidos, la carne para hamburguesas, y otras carnes, se venden por libra. Suponga que ésa sea de 1.00 Ib fuerza, calcule la masa en slugs. la masa en kg y el peso en N.

1.77M La tonelada métrica es igual a 1000 kg (masa). Calcu­le la fuerza en newtons necesaria para levantarla.

1.78C Convierta en Ib la fuerza obtenida en el problema 1.77M.1.79C Determine su propio peso corporal en Ib y N, y su ma­

sa en slugs y kg.

D ensidad , peso específico y g rav e d a d específica

1.80M La gravedad específica del benceno es de 0.876. Calcu­le su peso específico v su densidad, en unidades del SI.

1.81 M El peso específico del aire a 16 °C y presión atmosféri­ca estándar es de 12.02 N/m \ Calcule sil densidad.

1,82M El dióxido de carbono tiene una densidad de /. 964 kg/m3, a 0 °C. Calcule su peso específico.

24 Capítulo 1 La naturaleza de los fluidos y el estudio de su mecánica

1.83M Cierto aceite medio de lubricación tiene un peso es­pecifico de 8.860 kN/m3 a 5 °C, v 8.483 kN/m3 a 50 °C. Calcide su gravedad específica en cada temperatura.

1.84M A 100 °C, el mercurio tiene un peso específico de 130.4 kN/m . ¿Cuál sería el volumen de mercurio que tuviera un peso de 2.25 kN?

1.85M Una lata cilindrica de ¡50 mm de diámetro contiene 100 mm de aceite combustible. El aceite tiene una ma­sa de 1.56 kg. Calcule su densidad, peso específico y gravedad específica.

I.86M La gl ice riña tiene una gravedad específica de 1.258. ¿Cuánto pesaría 0.50 m3 de ella? ¿Cuál sería su masa?

1.87M El tanque de combustible de un automóvil tiene una capa­cidad de 0,095 nr\ Si se llena de gasolina, cuya gravedad específica es de 0.68, ¿cuál sería el peso de ésta?

I .88M La densidad del ácido muriático es de 1200 kg/m3. Calcule su peso específico y gravedad específica.

1.89M El amoniaco líquido tiene una gravedad específica de0.826. Calcule el volumen que tendría una cantidad que pesara 22.0 N.

1.90M La densidad del vinagre es de 1080 kg/m3. Calcule su peso específico y gravedad específica.

1.91M El alcohol metílico tiene una gravedad específica de0.789. Calcule su densidad y peso específico.

1.92M El diámetro de un contenedor cilindrico es de 150 mm, y su peso, cuando está vacío, es de 2.25 N. Si se llena con cierto tipo de aceite hasta una profundidad de 200 mm pesa 35.4 N. Calcule la gravedad específica del aceite.

1.93M Un recipiente para almacenar gasolina (sg = 0.68) es un cilindro vertical de 10 m de diámetro. Si se llena has­ta una profundidad de 6.75 m, calcule el peso y la ma­sa de la gasolina.

1.94M ¿Cuál sería el volumen de mercurio (sg = 13.54) que tendría un peso igual al de 0.023 m3 de aceite de rici­no, cuyo peso específico es de 9.42 kN/m3?

1.95M Una roca tiene una gravedad específica de 2.32 y un vo­lumen de 1.42 X 10~4 m3. ¿Cuánto pesa?

1.96E La gravedad específica del benceno es de 0.876. Calcu­le su peso específico y su densidad en unidades del Sis­tema Tradicional de Estados Unidos.

1.97E El aire a 59 °F y con presión atmosférica estándar tiene un peso específico de 0.0765 lb/pie3. Calcule su densidad.

1.98E El dióxido de carbono tiene una densidad de OOmv slug/pie3, a 32 °F. Calcule su peso específico.

1.99E Cierto aceite medio de lubricación tiene un peso es cífíco de 56.4 lb/pie3 a 40 °F, y 54.0 lb/pie3 a \2Q% Calcule su gravedad específica en cada temperatura

1.100E El mercurio a 212 °F tiene un peso específico de 834 Ib/ pie3. ¿Cuál sería el volumen de mercurio que pesara 500 Ib1?

1.101E Un galón de cierto tipo de aceite combustible pesa 7 50 Ib. Calcule su peso específico, su densidad y su grave dad específica.

1.102E La glícerína tiene una gravedad específica de 1.258 ¿Cuánto pesarían 50 gal de glicerína?

1.103E El tanque de combustible de un automóvil tiene capaci­dad para 25.0 gal. Sí se llena con gasolina cuya den­sidad es de 1.32 slug/pie3. calcule el peso que tendría la gasolina.

1.104C La densidad del ácido m uriático es de 1.20 g/cm3. Calcule su densidad en slugs/pie3, su peso específico en lb/pie3 y su gravedad específica. Observe que la grave­dad específica y la densidad en g/cm3 son iguales numé­ricamente.

1.105C El amoniaco líquido tiene una gravedad específica de0.826. Calcule el volumen en cm3 que tendría un peso de 5.0 Ib.

1.106C La densidad del vinagre es de 1.08 g/cm3. Calcule su pe­so específico en lb/pie3.

1.107C El alcohol tiene una gravedad específica de 0.79. Calcu­le su densidad en slugs/pie3 y en g/cm3.

1.108E Un contenedor cilindrico tiene un diámetro de 6.0 pulg y pesa 0.50 Ib cuando está vacío. Si se llena con cierto aceite a una profundidad de 8.0 pulg pesa 7.95 Ib, calcu­le la gravedad específica del aceite.

1.109E Un recipiente para almacenar gasolina (sg = 0.68) es en un cilindro vertical de 30 pies de diámetro. Si se llena a una profundidad de 22 pies, calcule el número de ga­lones que hay en el tanque y el peso de la gasolina.

1.110E ¿Cuántos galones de mercurio (sg = 13.54) pesarían lo mismo que 5 gal de aceite de ricino, el cual tiene un pe­so específico de 59.69 lb/pie3?

L111E Una roca tiene una gravedad específica de 2.32 y un vo­lumen de 8.64 pulg3. ¿Cuánto pesa?

t a r p ;a d i ; p r o g r a m a c i ó n d e c o m p u t a d o r a s

1. Con los datos del apéndice A, diseñe un programa de compu­tadora que calcule el peso específico del agua para una tem­peratura dada. Este programa será parte de otro más amplio que %e elaborará posteriormente. Podrían manejarse las opcio­nes siguientes:

a. Introducir en un arreglo la tabla de datos de peso especi­fico, com o función de la temperatura. Después, para l¡j temperatura que se especifique, buscar el arreglo paM e peso específico correspondiente. Interpolar las tempcratu ras entre los valores dados en la tabla.