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Supuesto 39

Navarra 2025 ·

Enunciado

(1,5 puntos) A un recipiente cilíndrico de radio RR y altura HH, abierto por su parte superior e inicialmente lleno de agua, se le realiza un orificio de radio rr en el fondo. Despreciando la viscosidad y las variaciones de presión atmosférica con la altura, determine:

  • a) (0,5p) La velocidad de salida del agua cuando el recipiente se ha vaciado a la mitad.
  • b) (1p) La expresión matemática del tiempo que tarda en vaciarse y calcule dicho tiempo.

Datos: R=10 cmR = 10\ \mathrm{cm}; r=4 cmr = 4\ \mathrm{cm}; H=70 cmH = 70\ \mathrm{cm}; g=9,8 m/s2g = 9{,}8\ \mathrm{m/s^2}.

Solución

a) Velocidad de salida a media altura

Aplicando Bernoulli entre la superficie libre (presión atmosférica, altura hh) y el orificio (presión atmosférica, altura 0), se obtiene el teorema de Torricelli:

v=2gh=2⋅9,8⋅0,35=2,62 m/sv = \sqrt{2gh} = \sqrt{2\cdot 9{,}8\cdot 0{,}35} = 2{,}62\ \mathrm{m/s}

Matiz que conviene hacer constar. Torricelli supone que la superficie libre desciende con velocidad despreciable, lo que exige r≪Rr \ll R. Aquí r/R=0,4r/R = 0{,}4, nada despreciable. Conservando el término de la superficie y usando la continuidad πR2v1=πr2v2\pi R^2 v_1 = \pi r^2 v_2:

v=2gh1−(r/R)4=6,860,9744=2,65 m/sv = \sqrt{\frac{2gh}{1-(r/R)^4}} = \sqrt{\frac{6{,}86}{0{,}9744}} = 2{,}65\ \mathrm{m/s}

La corrección es solo del 1,3 % porque entra a la cuarta potencia, pero señalarla demuestra criterio.

b) Tiempo de vaciado

El caudal que sale iguala a la disminución de volumen en el depósito:

πR2dhdt=−πr22gh  ⟹  dhh=−r2R22g dt\pi R^2\frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} = -\pi r^2\sqrt{2gh} \;\Longrightarrow\; \frac{\mathrm{d}h}{\sqrt{h}} = -\frac{r^2}{R^2}\sqrt{2g}\,\mathrm{d}t

Integrando desde h=Hh = H hasta h=0h = 0:

2H=r2R22g t  ⟹   t=2R2r2H2g 2\sqrt{H} = \frac{r^2}{R^2}\sqrt{2g}\,t \;\Longrightarrow\; \boxed{\,t = \frac{2R^2}{r^2}\sqrt{\frac{H}{2g}}\,}

Numéricamente, con R2/r2=(10/4)2=6,25R^2/r^2 = (10/4)^2 = 6{,}25:

t=2⋅6,25⋅0,7019,6=12,5⋅0,189=2,36 st = 2\cdot 6{,}25\cdot\sqrt{\frac{0{,}70}{19{,}6}} = 12{,}5\cdot 0{,}189 = 2{,}36\ \mathrm{s}

(Con la corrección exacta del apartado a, t=2,361−(r/R)4=2,33 st = 2{,}36\sqrt{1-(r/R)^4} = 2{,}33\ \mathrm{s}.) El resultado es un tiempo muy corto precisamente porque el orificio es grande: su área es el 16 % de la del depósito.

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