FLUIDOS
Fluidos
Se entiende por fluido todo cuerpo cuyas moléculas tienen entre sí poca coherencia y toma siempre la forma del recipiente donde está contenido. Dentro de esta definición los fluidos se consideran a la materia en estado líquido y gaseoso. El estado líquido se ve, pero el estado gaseoso es más difícil de ver e identificar .
Una de las magnitudes físicas que pueden hacer más factibles la existencia del estado gaseoso, es la presión (del latín pressio, -onis) acción y efecto de apretar o comprimir; que es la distribución o “propagación de una fuerza”, es decir no solamente fuerza, sino fuerza sobre algo más. Exactamente la presión se define como fuerza sobre la unidad de área.
Para dar las unidades de la presión hay que tener en cuenta las magnitudes con que se relaciona, es decir fuerza y superficie.
En el Sistema Internacional es el Newton dividido entre el metro cuadrado, y recibe el nombre de Pascal (Blaise Pascal –1623-1662, matemático, físico, filósofo francés).
1 Pa = 1 N/m2
Pero en los comprensores de las estaciones de servicio, lo que nos encontraremos son los kilos por centímetro cuadrado.
ACTIVIDAD 1.- MIRA ATENTAMENTE LAS DOS PRESENTACIONES : FLUIDOS EN REPOSO Y FLUIDOS EN MOVIMIENTOS DEL LIBRO DE TIPPENS Y ELABORA UN CUADRO COMPARATIVO , ENVIA.
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CONCEPTOS IMPORTANTES
1.-Fluidos en reposo (Hidrostática): Son todos aquellos cuerpos que tienen la característica de ser líquidos o gaseosos, tener la forma del recipiente que los contiene y tener viscosidad.
2.-Presión absoluta: Es la fuerza ejercida sobre la superficie en todas direcciones.
3.-Presión relativa: Es la fuerza aplicada sobre una superficie en una o más direcciones sin llegar a ser total.
4.-Presión atmosférica: Es la presión ejercida sobre todos los objetos de la tierra por la capa de varios kilómetros de altura, que envuelve nuestro planeta.
5.-Barómetro de Torricelli: Aparato que sirve para medir la presión atmosférica. Consiste en un tubo de vidrio lleno de mercurio invertido sobre una cubeta con este mismo líquido; por la parte superior se tapa el orificio y al destaparlo se observa que al nivel del mar se crea un vacío igual a 760 mm. El resultado indica que lo que sostiene a dicha columna de mercurio en el interior del tubo, es la presión atmosférica.
6.-Manómetro de tubo en U: Es un aparato que sirve para medirla presión de un gas contenido en un recipiente, se basan en el mismo principio que los barómetros, pudiendo ser metálicos como los aneroides o hidrostáticos.
La diferencia de alturas (h) indica la presión manométrica del gas contenido en el tanque.
Pm=Pa
sm=kg/m3
h=m
g=9.81 m/s2
Pm=sgh
7.-EJEMPLO DE PROBLEMA DE APLICACIÓN:
A.-Determinar la presión de un gas contenido en un manómetro que tiene de densidad 1.33 kg/m' y alcanza una altura de 1.5 m.
Pm=dgh
Pm=(1.33 kg/m3)(9.81 m/s2)(1.5 m)=13.04 Pa
8.-Principio de Pascal: Al aplicar una presión exterior en un punto de un fluido (líquido o gas) confinado en un recinto, la presión en cada punto del mismo aumenta en una cantidad igual a la citada presión exterior, esto quiere decir, que la presión ejercida en un punto es igual en todas direcciones.
F= fuerza mayor
A=área mayor
f=fuerza menor
a=área menor
F/A=f/a
9.-EJEMPLO DE PROBLEMA DE APLICACIÓN: En una prensa hidráulica existe una presión de 2.5 Pa en una área de 3 m2 en el émbolo de mayor tamaño, ¿Cuál será la fuerza que existe en el émbolo de menor tamaño, si su tamaño es 3 veces menor?
A.-Primero se determina la fuerza que existe en el primer émbolo.
P=F/A F=PA=(2,5 Pa)(3m2)=7.5 N
B.-Con estos valores sustituimos en la fórmula del Principio de Pascal y tenemos:
F= 7.5 N A=3 m2 f=x a=1 m2 f=Fa/A
f=Fa/ A=(7.5 N)(1 m2)/3 m2=2.5 N
10.-Prensa hidraúlica: Este aparato se encuentra formado por un recipiente completamente lleno de algún líquido con dos émbolos de área diferente. Si en el émbolo más pequeño se ejerce una fuerza, el liquido recibe la presión al mismo tiempo sobre el émbolo más grande debido a la fuerza que se produce.
11.-Principio de Arquímedes: Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba (por parte del fluido) igual al peso del volumen del fluido que desaloja, en otras palabras, un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una pérdida de peso aparente igual al peso del fluido que desaloja.
La dirección del empuje (fuerza) se considera vertical con sentido hacia arriba y aplicado en el centro de gravedad del fluido desplazado.
Empuje = Peso del fluido desalojado
12.-Fuerza de flotación o empuje: Es igual al peso del fluido desalojado por el recipiente y se calcula con la siguiente fórmula:
E=N
Pv=N/m3
V=m3
E=PvV
13.-EJEMPLO DE PROBLEMA DE APLICACIÓN:
Determinar la presión que ejerce un barco en el agua si el empuje del mismo en una cierta área es de 123 N y el volumen es de 20 m3.
E=PvV por lo que Pv=E/V
Pv=123 N/20 m3=6.15 N/m3
14.-Presión hidrostática: Es la debida a la columna de un fluido de altura h y densidad de masa r (o densidad de peso D):
P= h rg= h D
15.-Tensión superficial: Fenómeno por el cual un líquido tendrá rigidez en la capa superficial, debido a que las moléculas que se encuentran en su interior están sometidas en todas direcciones y por igual. 16.-Capilaridad: Fenómeno que consiste en la propiedad de los líquidos de ascender o descender por tubos capilares.
ACTIVIDAD 2.- RESUELVE LOS SIGUIENTES PROBLEMAS
Consideremos el movimiento de un objeto de volumen V y masa M que cae a través de un fluido con viscosidad cero (sin rozamiento).
Nota: entendemos por superficie mínima la que permite mantener al hombre completamente fuera del agua aunque la tabla esté totalmente inmersa en ella.
Dato: la presión atmosférica es de 105 Pa
CONCEPTOS IMPORTANTES
1.-Fluidos en reposo (Hidrostática): Son todos aquellos cuerpos que tienen la característica de ser líquidos o gaseosos, tener la forma del recipiente que los contiene y tener viscosidad.
2.-Presión absoluta: Es la fuerza ejercida sobre la superficie en todas direcciones.
3.-Presión relativa: Es la fuerza aplicada sobre una superficie en una o más direcciones sin llegar a ser total.
4.-Presión atmosférica: Es la presión ejercida sobre todos los objetos de la tierra por la capa de varios kilómetros de altura, que envuelve nuestro planeta.
5.-Barómetro de Torricelli: Aparato que sirve para medir la presión atmosférica. Consiste en un tubo de vidrio lleno de mercurio invertido sobre una cubeta con este mismo líquido; por la parte superior se tapa el orificio y al destaparlo se observa que al nivel del mar se crea un vacío igual a 760 mm. El resultado indica que lo que sostiene a dicha columna de mercurio en el interior del tubo, es la presión atmosférica.
6.-Manómetro de tubo en U: Es un aparato que sirve para medirla presión de un gas contenido en un recipiente, se basan en el mismo principio que los barómetros, pudiendo ser metálicos como los aneroides o hidrostáticos.
La diferencia de alturas (h) indica la presión manométrica del gas contenido en el tanque.
Pm=Pa
sm=kg/m3
h=m
g=9.81 m/s2
Pm=sgh
7.-EJEMPLO DE PROBLEMA DE APLICACIÓN:
A.-Determinar la presión de un gas contenido en un manómetro que tiene de densidad 1.33 kg/m' y alcanza una altura de 1.5 m.
Pm=dgh
Pm=(1.33 kg/m3)(9.81 m/s2)(1.5 m)=13.04 Pa
8.-Principio de Pascal: Al aplicar una presión exterior en un punto de un fluido (líquido o gas) confinado en un recinto, la presión en cada punto del mismo aumenta en una cantidad igual a la citada presión exterior, esto quiere decir, que la presión ejercida en un punto es igual en todas direcciones.
F= fuerza mayor
A=área mayor
f=fuerza menor
a=área menor
F/A=f/a
9.-EJEMPLO DE PROBLEMA DE APLICACIÓN: En una prensa hidráulica existe una presión de 2.5 Pa en una área de 3 m2 en el émbolo de mayor tamaño, ¿Cuál será la fuerza que existe en el émbolo de menor tamaño, si su tamaño es 3 veces menor?
A.-Primero se determina la fuerza que existe en el primer émbolo.
P=F/A F=PA=(2,5 Pa)(3m2)=7.5 N
B.-Con estos valores sustituimos en la fórmula del Principio de Pascal y tenemos:
F= 7.5 N A=3 m2 f=x a=1 m2 f=Fa/A
f=Fa/ A=(7.5 N)(1 m2)/3 m2=2.5 N
10.-Prensa hidraúlica: Este aparato se encuentra formado por un recipiente completamente lleno de algún líquido con dos émbolos de área diferente. Si en el émbolo más pequeño se ejerce una fuerza, el liquido recibe la presión al mismo tiempo sobre el émbolo más grande debido a la fuerza que se produce.
11.-Principio de Arquímedes: Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba (por parte del fluido) igual al peso del volumen del fluido que desaloja, en otras palabras, un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una pérdida de peso aparente igual al peso del fluido que desaloja.
La dirección del empuje (fuerza) se considera vertical con sentido hacia arriba y aplicado en el centro de gravedad del fluido desplazado.
Empuje = Peso del fluido desalojado
12.-Fuerza de flotación o empuje: Es igual al peso del fluido desalojado por el recipiente y se calcula con la siguiente fórmula:
E=N
Pv=N/m3
V=m3
E=PvV
13.-EJEMPLO DE PROBLEMA DE APLICACIÓN:
Determinar la presión que ejerce un barco en el agua si el empuje del mismo en una cierta área es de 123 N y el volumen es de 20 m3.
E=PvV por lo que Pv=E/V
Pv=123 N/20 m3=6.15 N/m3
14.-Presión hidrostática: Es la debida a la columna de un fluido de altura h y densidad de masa r (o densidad de peso D):
P= h rg= h D
15.-Tensión superficial: Fenómeno por el cual un líquido tendrá rigidez en la capa superficial, debido a que las moléculas que se encuentran en su interior están sometidas en todas direcciones y por igual. 16.-Capilaridad: Fenómeno que consiste en la propiedad de los líquidos de ascender o descender por tubos capilares.
ACTIVIDAD 2.- RESUELVE LOS SIGUIENTES PROBLEMAS
Consideremos el movimiento de un objeto de volumen V y masa M que cae a través de un fluido con viscosidad cero (sin rozamiento).
- Dibuja las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.
- ¿La aceleración del objeto en caída es independiente de su masa?, ¿y de su volumen?
Nota: entendemos por superficie mínima la que permite mantener al hombre completamente fuera del agua aunque la tabla esté totalmente inmersa en ella.
Un cable anclado en el fondo de un lago sostiene una esfera hueca de plástico bajo su superficie.El volumen de la esfera es de 0.3 m3 y la tensión del cable 900 N. |
- ¿Qué masa tiene la esfera?
- El cable se rompe y la esfera sube a la superficie. Cuando está en equilibrio, ¿qué fracción del volumen de la esfera estará sumergida?.
Un depósito de agua está cerrado por encima con una placa deslizante de 12 m2 y 1200 kg de peso. El nivel del agua en el depósito es de 3.5 m de altura. Calcular la presión en el fondo. Si se abre un orificio circular de 5 cm de radio a medio metro por encima del fondo, calcúlese el volumen de agua que sale por segundo por este orificio. (Se considera que el área del orificio es muy pequeño frente al área del depósito).
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La prensa hidráulica de la figura está formada por dos depósitos cilíndricos, de diámetros 10 y 40 cm respectivamente, conectados por la parte inferior mediante un tubo, tal como se indica en la figura. Contienen dos líquidos inmiscibles: agua, de densidad 1 g/cm3 y aceite 0.68 g/cm3.
Determinar el valor de la masa m para que el sistema esté en equilibrio.
Tomar g=9.8 m/s2.
Presión atmosférica = 101293 Pa.
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El depósito de la figura contiene agua.
a) Si abrimos la llave de paso, ¿qué altura tendrá el agua en cada lado del depósito cuando se alcance el equilibrio?
b) ¿qué cantidad de agua pasará de un recipiente al otro hasta que se alcance el equilibrio? |
De un gran depósito de agua, cuyo nivel se mantiene constante fluye agua que circula por los conductos de la figura hasta salir por la abertura D, que está abierta al aire. La diferencia de presión entre los puntos A y B es PB - PA = 500 Pa.
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Sabiendo que las secciones de los diferentes tramos de la conducción son SA= SC = 10 cm2 y SB=20 cm2, calcular las velocidades y las presiones del agua en los puntos A, B, C, de la conducción.
La presión en C es la atmosférica, igual a 105 Pa.Para saber la velocidad del agua en una tubería empalmamos en ella un tubo en forma de T de menor sección, colocamos tubos manométricos A y B, como indica la figura y medimos la diferencia de altura (5 cm) entre los niveles superiores del líquido en tales tubos.
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El gasto en una tubería por la que circula agua es 208 l/s. En la tubería hay instalado un medidor de Venturi con mercurio como líquido manométrico. Si las secciones de las tuberías son 800 y 400 cm2,Calcular el desnivel h que se produce en el mercurio. Dato: densidad del mercurio 13.6 gr/cm3 |
Dos depósitos abiertos muy grandes A y F, véase la figura, contienen el mismo líquido. Un tubo horizontal BCD que tiene un estrechamiento en C, descarga agua del fondo del depósito A, y un tubo vertical E se abre en C en el estrechamiento y se introduce en el líquido del depósito F. Si la sección transversal en C es la mitad que en D, y si D se encuentra a una distancia h1 por debajo del nivel del líquido en A.¿A qué altura h2 alcanzará el líquido en el tubo E?. Expresar la respuesta en función de h1. |
Del depósito A de la figura sale agua continuamente pasando través de depósito cilíndrico B por el orificio C. El nivel de agua en A se supone constante, a una altura de 12 m sobre el suelo. La altura del orificio C es de 1.2 m. El radio del depósito cilíndrico B es 10 cm y la del orificio C, 4 cm. Calcular:
§ La velocidad del agua que sale por el orificio C.
§ La presión del agua en el punto P depósito pequeño B
§ La altura h del agua en el manómetro abierto vertical.
Dato: la presión atmosférica es 101293 Pa.
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