Desde la antiguedad, el hombre ha utilizado la fuerza que ejerce el viento para la navegación de vela y para mover las aspas de los molinos, como también se ha servido de las corrientes fluviales para el transporte en embarcaciones . Cuando el viento está en calma, ni los veleros avanzan ni los molinos giran. Las aguas tranquilas producen moviemientos a las embarcaciones. Nos podíamos preguntar si los líquidos y los gases sólo ejercen fuerza cuando están en movimiento, pero cuando se introduce aire dentro de la llanta de un automóvil, ela ire contenido dentro del neumático está en reposo y sin embargo, sostiene el automóvil, el aire contenido dentro del neumático está en reposo y sin embargo, sostiene el automóvil. Los estados líquido y gaseoso presentan como características común la fluidez, producto de que sus respectivas moléculas están ligadas débilmente entre sí.
Una capa de agua cubre cerca de las dos terceras partes del globo terrestre; rodeándola otra capa de aire. Vivimos inmersos en un fluido que también circula por el interior d nuestro cuerpo, compuesto en su mayor parte de agua.
♦¿Cómo podemos explicar el comportamiento de los líquidos?
♦¿De qué depende que, independientemente de su tamaño, un iceberg flote en ele agua?
♦¿Qué implicaciones tiene para el organismo sumergirse a demasiada profundidad dentro del mar?
CONCEPTOS BÁSICOS...
La Mecánica de los Fluidos es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento y la interacción de estos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras.
Concepto de fluido
“Un fluido se define como una sustancia que se deforma de manera continua cuando actúa sobre ella un esfuerzo cortante de cualquier magnitud.
Una sustancia en la fase liquida o en la gaseosa se conoce como fluido.
El agua, aceite y aire fluyen cuando sobre ellos actúa un esfuerzo cortante.
FLUIDOS EN REPOSO
DENSIDAD: Es una magnitud física que se define como el cociente entre la masa m de un cuerpo y su volumen V, es decir,
Cuando tratamos de diferenciar entre los estados de la materia, encontramos que los gases ocupan todo el volumen que los limita, mientras que los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene. Generalmente se observa que los líquidos son aproximadamente 1.000 veces más densos que los gases.
Ejemplo
La densidad del mercurio es 13.9 g ¿Qué volumen ocupan 10 g de mercurio?
Solución
Puesto que,
, entonces V=m/p = 10g/13.6g/cm^3 eso es igual a 0.73 cm^3LA PRESIÓN
Es la relación entre la fuerza perpendicular a la superficie y el área de la misma En el sistema internacional se expresa en newton/metro cuadrado. Esta unidad se denomina Pascal (Pa) en honor al científico francés Blaise Pascal. Un Pascal equivale aproximadamente a la presión que ejerce sobre el suelo una lámina de 10 al cuadrado de masa y de 1 m al cuadrado de superficie.
La presión es una cantidad escalar, lo cual significa que para especificarla completamente es suficiente con el valor y la unidad correspondiente.
EL PRINCIPIO DE PASCAL
Los líquidos transmiten en todas las direcciones y con la misma intensidad las presiones que se ejercen en una determinada región de ellos.El principio de Pascal es válido también para gases, aunque en este caso la presión no se transmite con tanta rapidez, ya que los gases son más comprensibles que los líquidos.
En el principio de Pascal se fundamentan numerosas aplicaciones tecnológicas de uso corriente: gatos hidráulicos, grúas, excavadoras, volquetas, sistemas de frenos en automóviles, de abertura y cierre de puertas, etc. En general estas máquinas que se basan en el principio de pascal reciben el nombre de máquinas hidraúlicas.
EL PRINCIPIO DE ARQUIMIDES
El principio de Arquímedes se relaciona con la flotabilidad de los cuerpos. Se dice que mientras se daba un baño en la tina, Arquímedes experimento una fuerza que lo empujaba hacia arriba dentro del agua. Salió corriendo desnudo por las calles de Siracusa gritando ¡EUREKA! Arquímedes descubrió que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje hacia arriba, llamada fuerza de flotación, que es equivalente al peso del fluido que desplazado por el cuerpo. El principio de Arquímedes es el que permite a los grandes barcos flotar sobre el agua a pesar de tener un peso tan grande.
En el siguiente link nos servirá de gran ayuda para comprender con facilidad este tema ( cuenta con cuestionario y la experiencia del prinicpio de Arquímides)
Videos del principio de Arquímides: http://www.youtube.com/watch?v=n3A5MK6lDpg
PRESIÓN EN LOS GASES
La atmósfera, capa gaseosa de la Tierra, ejerce una presión llamada presión atmosférica sobre todos los cuerpos. Torricelli en el siglo XVII demostró mediante un célebre experimento su existencia y midió su valor. Este valor o presión varía según los lugares y se mide con los barómetros. La llamada Ley de Boyle y Mariotte, estudia la relación que hay entre la presión y el volumen de los gases. Para medir la presión de los gases dentro de recipientes se usa el manómetro. Para extraer los gases de los recipientes se usa la bomba de vacío.
Presión Atmosférica
La masa más importante de gas que existe es la Atmósfera que forma una capa que envuelve a la Tierra. Está compuesta por diversos gases. Ejerce una presión sobre todos los cuerpos con los que está en contacto: la presión atmosférica. La presión atmosférica es producida por el peso del aire.
Torricelli
En el siglo XVII Torricelli se situó a nivel del mar y con un tubo de 1 metro de largo, cerrado por un extremo. Lo llenó de mercurio y lo volcó colocándolo sobre una cubeta que también tenía un poco de mercurio. Entonces vio que el nivel del mercurio descendió hasta 760 milímetros. El resto quedó vacío formando lo que se llama cámara barométrica.
Este experimento demostró la existencia de la presión atmosférica. La presión actúa sobre el mercurio del tubo impidiendo que el mismo se derrame del todo. Por otra parte la presión que ejerce una columna de un metro de mercurio es superior a la presión atmosférica hasta que se igualan ambas fuerzas (al salir solo 240 mm).
Por tanto el valor de la presión atmosférica es igual a la presión del mercurio que queda en el tubo. Como éste pesa 1033 gramos (para 760 mm y 1 cm2 de sección, el nivel de la presión atmosférica a nivel del mar es de 1033 gramos por cm2 que es la presión normal y se toma como unidad llamada atmósfera. Una atmósfera equivale a 760 mm de mercurio.
Los Vientos
La presión atmosférica disminuye con la altitud. El calor provoca una dilatación en el aire y hace que una misma masa ocupe espacios mayores al disminuir su densidad y su presión. En sitios fríos pasa lo contrario. Esto origina los vientos que van de las zonas de altas presiones (anticiclónicas) hacia las bajas (ciclónicas).
Medida
La presión se mide con los barómetros. Existen diversos modelos y sistemas. El más antiguo es el de mercurio (como uso Torricelli)
Aplicaciones de la presión atmosférica
Bombas de vacío, elevación de agua, sifón, pipetas, etc. Para medir el gas de una bombona de butano se usan instrumentos de vacío como el manómetrO.
Como elevar agua
Hasta el que se desarrolló la bomba hidráulica subir agua a las alturas era un gran problema. Hoy estas bombas han sido sustituidas por las centrífugas. Que son parecidas a las bombas rotatorias de vacío.
Torricelli (1608-1647) amigo de Galileo experimentó con la presión atmosférica. En su época se creía que no se podía elevar agua con una bomba de vacío a más de 10 metros por el `horror al vació´ de la naturaleza. Galileo demostró que era la presión que ejerce la atmósfera la que impide esto y es igual a una capa de agua de 10 metros de espesor.
FLUIDOS EN MOVIMIENTO
El Movimiento de los fluidos
Fíjate en el movimiento del fluido al ser expulsado por un atomizador. Inmediatamente después de su salida no se observan los remolinos que se presentan después de un tiempo de haber sido expulsado. Estas diferencias permite distinguir entre 2 clases de flujo, es decir, dos clases de trayectorias seguidas por cada partícula de un fluido en movimiento: el flujo turbulento y el flujo laminar.
♦El flujo turbulento se caracteriza porque las partículas del fluido describen trayectorias en forma de remolinos.
♦ El flujo laminar se caracteriz porque cada pequeño volumen de fluido se mueve sin girar siguiendo trayectorias que no se cruzan entre sí. Se dice que el flujo laminar es estacionario si cada pequeña región de fluido que pasa por determinado punto lo hace con la misma velocidad que todas las particulas que pasaron antes por ese mismo punto.
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
La ecuación de continuidad nos proporciona la forma de la superficie del chorrito de agua que cae del grifo. La sección trasversal del chorro de agua cuando sale del grifo es S0 y la velocidad del agua es v0.
ECUACIÓN DE BERNOULLI Seguramente te has preguntado por qué se produce la fuerza ascensional que actúa sobre los aviones o cómo se explica el movimiento curvo, comúnmente llamado "tiro con efecto" que describe en algunos casos un balón de fútbol.
Estos hecho se explican a partir del estudio del movimiento de los fluidos. Cuando un fluido circula dentro de un tubo de áreas diferentes su velocidad cambia, esto implica que las partículas del fluido se aceleren o se desaceleren por lo tanto debe actuar una fuerza neta.
Fórmula:
En el siguiente link encontraremos las aplicaciones de la ecuación de Bernoulli.
LA VISCOSIDAD
Viscosidad, propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad.
ACTIVIDADES
1. Relaciona los eventos de la columna de la derecha con los conceptos de la columna izquierda.
a) Densidad 1. Una persona parada sobre unos esquís.
b)Presión 2.El funcionamiento de un gato hidráulico
c)Principio de Pascal 3. Un barco en alta mar
d)Principio de Arquímides 4. Un trozo de hierro.
e) Presión Atmosférica 5. Esterilización por vacío.
2. Describe y explica el funcionamiento de los instrumentos de medida que se observan a continuación
Barómetro Manómetro
3. Al frente de cada pregunta escribe Sí o No, según corresponda.
a)¿Un flujo enorme significa que todas las partículas de un fluido tiene la misma rapidez al pasar por un punto?( )
b)¿La viscosidad se refiere a una fricción interna del fluido? ( )
c) ¿ Las lineas de corriente indican la velocidad de flujo? ( )
d) ¿Las líneas de flujo siempre se cruzan? ( )
e) ¿El gasto volumétrico de un fluido es su mismo caudal?( )
f) El tubo de Venturi sirve para determinar la velocidad de un fluido?( )
g) La hidrostática estudia los fluidos en equilibrio ( )
h) La unidad de densidad en el S.I de unidades es el g/cm cúbicos ( exponente a la 3) ( )
i) La presión atmosférica aumenta a medida que aumenta la altura ( )
4. Contesta:
a) ¿Cuál es el objeto de estudio de la hidrodinámica?
b)¿En qué se diferencia la hidrostática de la hidrodinámica?
c)¿Qué es el flujo laminar?
d) Explica con tus palabras la ecuación de continuidad
e)¿En qué consiste el efecto de un balón?
5. Analiza y resuelve
a) Explica por qué presión y fuerza son conceptos diferentes.
b) Explica qué relación existe entre la presión de un líquido y su densidad.
c)¿Qué le ocurre a la densidad de un trozo de madera uniforme cuando la cortamos en cuatro partes iguales?
d)¿ A qué se debe que el aire sea más denso en cuidades como Barranquilla y Cartagena que en Bogotá o Tunja?
e)¿Por qué la fuerza de empuje que un líquido ejerce sobre los cuerpos no actúa hacia los lados?
f) Una bomba de caucho se eleva en el aire cuando se llena de helio. Explica cuál es la razón de este fenómeno.
g) ¿Cómo es posible que un helicóptero, cuya densidad promedio es muy superior a la del aire, se pueda sostener en el aire?
h)¿A qué se debe que dos autos que se mueven a gran velocidad y se pasan uno junto al otro tiendan a "atraerse" entre sí?
i) Explica por qué el agua fluye en una corriente continua al bajar por un tubo vertical, en tanto que se fragmenta en gotas cuando cae libremente.
6. Problemas básicos
a) ¿Qué volumen ocupa si se introduce una pieza de madera 8g en agua de sal cuya densidad es 1.04g/
b)Sobre una pieza cuadrada de 6.5 cm de lado, se ejerce una fuerza de 14.8 N ¿Qué presión actuó sobre el cuerpo?
c)¿Qué masa posee un cuerpo, sabiendo que la densidad del alumno es de 2.7 g/
y es introducido en un volumen de 0.5 ?
y es introducido en un volumen de 0.5 ?
