[EX] Tempo necessario a svuotare barile

Messaggioda DavideGenova » 05/07/2015, 16:54

Ciao, amici! Un barile, aperto al di sopra, pieno d'acqua ha raggio \(R=0.25\text{ m}\) ed è alto \(h=0.75\text{ m}\). Vicono alla sua base è praticato un foro cui è collegato un tubo lungo \(\ell=1.0\text{ m}\) e di raggio \(r=0.0019\text{ m}\). Vorrei trovare quanto tempo è necessario perché il barile si svuoti a metà, sapendo che l'acqua ha densità \(\rho=1.00\cdot 10^3\text{ kg/m}^3\) e viscosità \(\eta=2.5\cdot10^{-3}\text{ N sm}^{-2}\).
So che per effetto di una differenza di pressione \(\Delta p\) la portata di un tubo di raggio $r$ e lunghezza \(\ell\) in cui passa un fluido di viscosità \(\eta\) è\[Q=\frac{\pi r^4\Delta p}{8\eta\ell}\]ed ho pensato di usare questa formula, ma con scarsi e penosi risultati, che metto in spoiler per non offendere la vista di chi mi legge.
Testo nascosto, fai click qui per vederlo
La pressione del fluido appena sopra il tubo direi che dovrebbe essere \(p=p_{\text{atm}}+\rho gh\) e quindi la differenza tra la pressione alla giuntura tubo-barile e l'esterno direi che sia \(\Delta p=p_\text{atm}+p-p_\text{atm}=\rho gh\) e perciò \[Q=\frac{\pi r^4\rho gh}{8\eta\ell}.\]Da questo, tenendo conto del fatto che \[h(t)=\frac{\pi R^2 h(0) -\int_0^t \frac{\pi r^4 g\rho h(\tau)}{8\eta\ell}d\tau}{\pi R^2} \]riesco solo a ricavare un'equazione integrale che non so come usare per calcolare il tempo.
Come si affronta questo tipo di problema?
$\infty$ grazie a tutti!!!

EDIT: corretta espressione di $p$ su indicazione di navigatore, che ringrazio.
Ultima modifica di DavideGenova il 05/07/2015, 23:17, modificato 1 volta in totale.
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Re: [EX] Tempo necessario a svuotare barile

Messaggioda DavideGenova » 05/07/2015, 18:44

Il barile di quell'esercizio ha misure identiche a quello del mio e, anche se il problema mi sembra essenzialmente diverso ("da me" c'è un tubo e la viscosità non è supposta nulla), vedendo il metodo da te proposto là, dove hai integrato la derivata del tempo in funzione delle misure dell'acqua nel barile, direi che potrei cercare di integrare \(\frac{dt}{dV}=\frac{1}{Q}=\frac{8\eta\ell}{\pi r^4\Delta p}\): in tal caso il tempo necessario sarebbe\[\Delta t=\int_0^{V_0/2} \frac{dt(V)}{dV}dV\]dove \(V_0\) è il volume iniziale del barile.
Mi sorge un problema: ponendo \(\Delta p=\rho g h\) come da me desunto nello spoiler di sopra ottengo che \[\frac{dt}{dV}=\frac{8\eta\ell}{\pi r^4\rho g\frac{V}{\pi R^2}}\]e quindi \(\int_0^{V_0/2} 8\eta\ell R^2(r^4\rho gV)^{-1}dV\) diverge... :|
Credo di aver sbagliato l'espressione di \(\Delta p\)...
$\infty$ grazie ancora!!!
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Re: [EX] Tempo necessario a svuotare barile

Messaggioda navigatore » 05/07/2015, 22:26

Il caso in cui il serbatoio è dotato di un tubo di efflusso è stato trattato da Tem in quest'altro thread:

viewtopic.php?f=38&t=137343&hilit=svuotamento+serbatoio#p873695

ma non si fa cenno all viscosità del liquido.

Non mi torna però quello che hai scritto nello spoiler per il calcolo della pressione relativa. PErchè nel punto di imbocco del tubo tu dici che la pressione sarebbe : $ p = p _(atm) -\rhogh$ ??
Semmai è $p_(atm) + \rho gh$ , se intendi con $h$ l'altezza del liquido nel serbatoio .
Inoltre, nella formula di Poiseuille la resistenza idraulica è il rapporto tra la differenza di pressione da inizio a fine tubo e la portata $Q$ :

http://ishtar.df.unibo.it/mflu/html/poiseuille.html

e tale resistenza dipende dalla lunghezza $L$ del tubo. Quindi, non ho capito il tuo ragionamento.
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Re: [EX] Tempo necessario a svuotare barile

Messaggioda DavideGenova » 05/07/2015, 23:16

Grazie ancora!!! Premetto che, finora, della formula di Poiseuille, non ho ancora studiato la dimostrazione, che è proposta come esercizio a fine capitolo, e quindi posso interpretarla male. Comunque sì, intendo con \(\Delta P\) la differenza tra la pressione dall'imbocco del tubo con il barile e quella alla fine del tubo.
navigatore ha scritto:PErchè nel punto di imbocco del tubo tu dici che la pressione sarebbe : $ p = p _(atm) -\rhogh $ ??
Semmai è $ p_(atm) + \rho gh $
Uh, sì, sbagliato segno. :oops:
Da cui ottengo \(\Delta p=\rho gV/(\pi R^2)\) e un integrale divergente... quindi ho sbagliato qualcosa, ma non vedo dov'è l'errore...
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Re: [EX] Tempo necessario a svuotare barile

Messaggioda DavideGenova » 07/07/2015, 16:19

Credo di aver capito l'inghippo la variabile $V$ nella funzione \(V\mapsto\frac{r^4\rho gV}{ 8\eta\ell R^2}\) è il volume nel barile, non fuori, e quindi tale funzione deve essere preceduta da segno negativo se si vuole che indichi la derivata del volume nel barile:\[\frac{dV}{dt}=-\frac{1}{Q}=-\frac{ 8\eta\ell R^2}{r^4\rho gV}\]e quindi il tempo necessario a dimezzare il fluido nel barile direi che sia\[\int_{V_0}^{V_0/2}\frac{dt(V)}{dV}dV=\int_{V_0}^{V_0/2}-\frac{ 8\eta\ell R^2}{r^4\rho gV} dV=\frac{ 8\eta\ell R^2}{r^4\rho g}\ln 2\]
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Re: [EX] Tempo necessario a svuotare barile

Messaggioda navigatore » 07/07/2015, 16:29

Penso di si. non ho controllato i passaggi, ma in definitiva il volume d'acqua nel barile è la variabile di integrazione.
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Re: [EX] Tempo necessario a svuotare barile

Messaggioda DavideGenova » 07/07/2015, 17:45

Grazie per la conferma!!!
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