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Vaciado de un contenedor semiesférico
Nivel
Primer ciclo
Dificultad
7
 
Categoría
Física de fluidos

Un contenedor semiesférico de radio se llena con agua. La parte superior está abierta a la presión atmosférica. En la parte inferior existe un tapón abierto de radio mucho menor que . Halle el tiempo total necesario para vaciar el contenedor. Supóngase que el flujo es ideal.

Solución disponible
Metaleer
Vaciado de un contenedor semiesférico
 

Suponiendo que el líquido ya ha empezado a descender, y llamando a la distancia entre el fondo y la altura máxima que alcanza el fluido en el contenedor (por tanto asignando al tapón altura nula), se tiene que la ecuación de Bernoulli toma el siguiente aspecto

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donde es la velocidad con la que cambia la altura del fluido en el contenedor y es la velocidad con la que sale el fluido por el tapón. Admitiendo a continuación la hipótesis de régimen cuasiestacionario, podemos realizar la aproximación , es decir, la altura varía muy lentamente con respecto al tiempo, se tiene que

(2)

Por otra parte, la ecuación de continuidad aplicada a los puntos de altura y al tapón nos dice que

(3)

donde (el signo negativo se debe a que la altura disminuye con el tiempo), es el área del tapón, como ya hemos obtenido antes, y es el área que cubre el fluido a altura . Como sabemos que el fluido está contenido en un contenedor semiesférico, el área será una función del tipo , donde se puede comprobar que . Luego y obtenemos la siguiente ecuación diferencial

(4)
(5)

En el instante inicial, la altura era el radio de la semiesfera, y en el instante de vaciado total, la altura es , por tanto

(6)
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