11 Ago
Fuerzas en el Interior de los Fluidos: Conceptos Esenciales
1. Presión: Concepto y Unidades
El efecto de una fuerza depende de su valor, de la dirección y sentido en que actúa. El efecto de la fuerza depende también del tamaño de la superficie en contacto. Definimos una nueva magnitud física que tiene en cuenta la relación entre la fuerza y la superficie sobre la que actúa: es la presión, que equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie.
La fórmula de la presión es:
P = F/S
Donde:
- P = presión
- F = fuerza
- S = superficie
La unidad de presión en el Sistema Internacional (S.I.) es el N/m2, que recibe el nombre de pascal, y su símbolo es Pa. Se define el pascal como la presión que ejerce una fuerza de un newton actuando sobre una superficie de un metro cuadrado.
2. Definición de Fluido
Los líquidos y los gases tienen una característica común: las partículas que los componen gozan de cierta libertad de movimiento y cambian fácilmente de posición. Por este motivo, los líquidos y los gases adoptan la forma del recipiente que los contiene.
Los gases no tienen volumen propio; sus partículas se encuentran muy alejadas unas de otras. Este último hecho permite comprimirlas, es decir, reducir su volumen. Por otro lado, los líquidos tienen volumen propio y no se pueden comprimir.
3. Presión en el Interior de un Líquido: Ecuación Fundamental de la Hidrostática
La presión en el interior de un líquido actúa en todas direcciones. Es mayor cuanto mayor sea la profundidad y cuanto mayor sea la densidad del líquido.
La presión hidrostática a cierta profundidad bajo la superficie libre de un líquido en reposo es igual al producto de la densidad del líquido, por la aceleración de la gravedad y por la profundidad del punto considerado.
La Ecuación fundamental de la hidrostática es:
P = d · g · h
Donde:
- d = densidad del líquido en kg/m3
- g = aceleración de la gravedad en m/s2
- h = profundidad en metros
4. Principio de Pascal y la Prensa Hidráulica
Pascal demostró que la presión ejercida en un punto de un líquido, considerado incompresible, se transmite por igual en todas direcciones. Esta propiedad de los líquidos se aplica en la construcción de prensas y básculas hidráulicas, así como en frenos hidráulicos.
La prensa hidráulica consiste en un recipiente en forma de U, en el que las dos ramas no tienen la misma sección. Se llena de un líquido y se colocan dos émbolos en las bocas que deslizan perfectamente sin dejar salir el líquido.
Si aplicamos una fuerza Fp sobre el émbolo pequeño, aparece una presión Pp sobre todos los puntos del líquido que limita con este émbolo y que se transmite por igual por todo el fluido hasta llegar al émbolo grande.
Según el principio de Pascal:
PP = PG
Donde:
PP = FP / SP
PG = FG / SG
Por lo tanto:
FP / SP = FG / SG
Cuanto mayor es la diferencia de tamaño entre los émbolos, más efectiva es la prensa.
5. Cuerpos Sumergidos en Fluidos: Principio de Arquímedes
Cuando sumergimos un cuerpo en un fluido, parece que su peso disminuye. La explicación a este hecho se debe a que sobre el cuerpo que está sumergido en el interior del fluido actúa una fuerza que llamaremos empuje (E).
Fue Arquímedes quien observó que:
- Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba.
- El empuje que recibe un cuerpo es igual al peso del volumen de líquido que ha desalojado.
- El empuje no depende del material del que esté hecho el cuerpo, sino del volumen del mismo que se encuentra sumergido en el fluido.
Estos hechos se resumen en lo que se conoce como Principio de Arquímedes, que se puede enunciar como sigue: «Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y es igual al peso del volumen del líquido desalojado.»
Consecuencias del Principio de Arquímedes
Según lo que acabamos de ver, todo cuerpo sumergido en un fluido está sometido a dos fuerzas verticales: el peso y el empuje.
Si sumergimos un cuerpo totalmente en el fluido, pueden ocurrir tres cosas: l
6. Presión en Gases y Presión Atmosférica
La presión que ejerce un gas se debe a los choques de las partículas con las paredes del recipiente que lo contiene. Esta presión se mide por medio de los manómetros.
Se entiende por atmósfera la capa de aire que rodea la Tierra. La presión atmosférica es de aproximadamente 101.293 Pa.
El aire está retenido por la Tierra y no se difunde alejándose al espacio exterior porque pesa. Por otra parte, como todos los gases, es compresible y las capas más próximas a la superficie terrestre soportan el peso de las más altas y, por tanto, la densidad del aire es mayor en las zonas próximas al suelo que en las más alejadas.
La presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre cada unidad de superficie de los objetos que están en el interior de la misma.
Experimento de Torricelli y la Presión Atmosférica
Torricelli demostró la existencia de la presión atmosférica y determinó su valor mediante la siguiente experiencia:
Se llena un tubo de vidrio, de un metro de longitud, de mercurio. Se tapa con el dedo el extremo abierto y se invierte tapado dentro de una cubeta llena del mismo líquido. Se quita el dedo y parte del líquido sale del tubo hacia la cubeta hasta que la altura del mercurio es de 760 mm respecto a la superficie libre del líquido.
Los puntos de la superficie libre de la cubeta y los del interior del tubo que están al mismo nivel, la presión tiene que ser la misma. En el interior del tubo de Torricelli se ejerce únicamente la presión debida a la columna de mercurio (PB) y en la superficie libre de la cubeta se ejerce la presión atmosférica (PA).
PA = PB
Donde:
PB = ρHg · hHg · g
Considerando:
- ρHg = 13.600 kg/m3
- h = 0,760 m
- g = 9,8 m/s2
Entonces, PB = 101.293 Pa, lo que se aproxima a PB ≈ 101.300 Pa.
Deja un comentario