BLOQUE CUATRO (HIDROSTATICA)

ESTADOS DE LA MATERIA 

 A nivel microscópico el estado líquido se caracteriza porque la distancia entre las moléculas es sensiblemente inferior a la de los gases. Mientras que en un gas la distancia intermolecular media es igual o mayor que diez veces el tamaño de la molécula, en un líquido viene a ser del mismo orden de magnitud que el diámetro molecular, y sólo un poco mayor que en los sólidos. Eso explica que la densidad de los líquidos sea, salvo algunas excepciones, sólo algo inferior a la de los sólidos.

Viscosidad

Aunque las moléculas de los líquidos pueden deslizarse unas sobre otras, esto no sucede para todos con igual facilidad. La existencia de fuerzas de rozamiento que se oponen al deslizamiento de las moléculas define una propiedad de los fluidos que se denomina viscosidad. La viscosidad se traduce en una mayor resistencia al movimiento en el interior del fluido. El vidrio constituye un ejemplo de este estado intermedio de la materia. Aumentando la temperatura, disminuye su viscosidad y el material se reblandece, pasando a un estado líquido espeso. 

Tensión superficial y capilaridad

Razonando en términos de equilibrio es posible encontrar una expresión para la altura de la columna de líquido. Dado que el coeficiente de tensión superficial representa la fuerza de tensión superficial por unidad de longitud, la resultante de estas fuerzas responsables de la elevación de la columna será:

T = 2 p R s

siendo 2pR la longitud del borde circular de la superficie libre. Por otra parte, el peso de la columna viene dado por:

P = m · g = volumen · r · g = pR2hgr

en donde r representa la densidad y h la altura.

Dado que las fuerzas de tensión superficial forman, en general, un ángulo q de contacto con las paredes del capilar, la condición de equilibrio se expresará en la forma:

T cosq = P

es decir: 2pRs cosq = pR2hrg

y por tanto:

DENSIDAD Y PRESIÓN

PRESION

Dado un fluido en equilibrio, donde todos sus puntos tienen idénticos valores de temperatura y otras propiedades, el valor de la presión que ejerce el peso del fluido sobre una superficie dada es:

siendo p la presión hidrostática, r la densidad del fluido, g la aceleración de la gravedad y h la altura de la superficie del fluido. Es decir, la presión hidrostática es independiente del líquido, y sólo es función de la altura que se considere.

Por tanto, la diferencia de presión entre dos puntos A y B cualesquiera del fluido viene dada por la expresión:

La diferencia de presión hidrostática entre dos puntos de un fluido sólo depende de la diferencia de altura que existe entre ellos.

Densidad 

Densidad de fluidos: cantidad de masa por volumen.

La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen. Se denomina con la letra ρ. En el sistema internacional se mide en kilogramos / metro cúbico.

Cuando se trata de una sustancia homogénea, la expresión para su cálculo es:

Donde

ρ: densidad de la sustancia, Kg/m³

m: masa de la sustancia, Kg

V: volumen de la sustancia, m³

en consecuencia la unidad de densidad en el Sistema Internacional será kg/m³ pero es usual especificar densidades en g/cm³, existiendo la equivalencia

1g cm³ = 1.000 kg/ m³.

La densidad de una sustancia varía con la temperatura y la presión; al resolver cualquier problema debe considerarse la temperatura y la presión a la que se encuentra el fluido. .

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN CON LA PROFUNDIDAD

Cuando se sumerge un cuerpo en un fluido en equilibrio, éste ejerce una fuerza perpendicular a la superficie del cuerpo en cada punto de la superficie. Esta fuerza por unidad de área se denomina presión P del fluido:

(1)

P=FA

En un fluido incompresible en equilibrio, la presión ejercida por el líquido sobre un cuerpo sumergido depende de la densidad del fluido y la profundidad a la que se halle el cuerpo.¹

Es importante tener en cuenta que la presión no depende de la cantidad de líquido presente. El volumen no es un factor clave. Por ello, se sentirá la misma presión un metro bajo el agua en una piscina que a la misma profundidad en un lago muy grande.²

Igualmente, se encontrará el peso específico 

γ

(2)

Donde ρ

 es la densidad del fluido y g es la aceleración de la gravedad. Esta cantidad es de amplio uso en ingeniería, tanto en el diseño de estructuras como en la dinámica de fluidos.³

MEDICIONES DE PRESION

La presión hidrostatica es la fuerza por unidad de área que ejerce un liquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido, como esta presión se debe al peso del liquido, esta presión depende de la densidad(p), la gravedad(g) y la profundidad(h) del el lugar donde medimos la presión(P)P=p*g*hSi usas las Unidades del Sistema Internacional la Presión estará en Pascales(Pa=N/m^2),la densidad en Kilogramo sobre metro cubico(Kg/m^3), la gravedad en metro sobre segundo al cuadrado (m/s^2) y la profundidad en metro (m), si te fijas(Kg/m^3)*(m/s^2)*(m)=(Kg/(s^2*m))=(N/m^2)al sumergir un vaso boca abajo en el agua lo sumerges con todo y el aire que contiene desde que esta afuera, puesto que el aire siempre es empujado hacia arriba por ser menos denso que el agua, al encontrarse con las paredes del vaso y una fuerza introduciendo el vaso, no le queda mas que mantenerse en el vaso, por lo tanto el agua no puede entrar al espacio que esta siendo ocupado por el aire.

PRINCIPIO DE PASCAL

El principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: la presión ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.

El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión.

También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas, en los elevadores hidráulicos y en los frenos hidráulicos.

La prensa hidráulica es una máquina compleja que permite amplificar la intensidad de las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas hidráulicas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos de maquinaria industrial.

La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección S₁ se ejerce una fuerza F₁ la presión p₁ que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma casi instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p₂ que ejerce el fluido en la sección S₂, es decir:

con lo que las fuerzas serán, siendo, S₁ < S₂ :

y por tanto, la relación entre la fuerza resultante en el émbolo grande cuando se aplica una fuerza menor en el émbolo pequeño será tanto mayor cuanto mayor sea la relación entre las secciones:

PRINCIPIO DE ARQUIMIDES

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza¹ recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SIU). El principio de Arquímedes se formula así:

o bien

Donde E es el empuje , ρ_f es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa, de este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales² y descrito de modo simplificado³ ) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.