Guía de trabajo FLUIDOS DOCENTE: Ing Vladimir Vásquez La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Reciben el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez. Son fluidos tanto los líquidos como los gases, y su forma puede cambiar fácilmente por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas. La densidad es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3), aunque frecuentemente se expresa en g/cm3. La densidad se puede calcular mediante la expresión: Donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen del cuerpo. PRESIÓN En Física, llamamos presión a la relación que existe entre una fuerza y la superficie sobre la que se aplica; P= F/A. Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/m2. La presión suele medirse también en atmósferas (atm); la atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio Un golpe de martillo sobre un clavo bien afilado hace que penetre más en la pared de lo que lo haría otro clavo sin punta que recibiera el mismo impacto. Un individuo situado de puntillas sobre una capa de nieve blanda se hunde, en tanto que otro de igual peso que calce raquetas, al repartir la fuerza (peso) sobre una mayor superficie, puede caminar sin dificultad. La presión no depende sólo de la magnitud de la fuerza, sino de la superficie sobre la cual se ejerce dicha fuerza. A mayor área menor presión y, a menor área, mayor presión. PRESIÓN HIDROSTÁTICA Es la presión que ejerce el peso de un fluido en reposo. Se trata de la presión que experimenta un cuerpo por el solo hecho de sumergirse en un líquido. El fluido ejerce una presión sobre el fondo y las paredes del recipiente y sobre la superficie del objeto sumergido en él. Dicha presión hidrostática, con el fluido en reposo, genera una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto. El peso que ejerce el líquido aumenta a medida que se incrementa la profundidad. La presión hidrostática es directamente proporcional al valor de la gravedad, la densidad del líquido y la profundidad a la que se encuentra. La presión hidrostática (P) puede calcularse a partir de la ecuación P =ρ.g. h VASOS COMUNICANTES Los vasos comunicantes son unos recipientes unidos entre sí de forma que, al echar líquido en uno cualquiera de ellos, puede pasar a los demás. Al poner en los vasos comunicantes un líquido, este alcanza en todos ellos la misma altura. PRINCIPIO DE PASCAL La presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite con la misma intensidad a cualquier otro punto del líquido. La causa de que la presión ejercida en un líquido se transmita íntegramente en todas direcciones es debida a que los líquidos son incompresibles. Por tanto, al aplicarles una presión y no poder reducirse de volumen, la transmiten en todas direcciones perpendiculares a las paredes del recipiente que los contiene. La comprobación experimental de este principio puede hacerse con un matraz esférico con varios orificios pequeños, lleno de líquido y cerrado por medio de un émbolo. Al presionar con el émbolo, el líquido sale al mismo tiempo y con igual intensidad por todos los orificios. LA PRESA HIDRÁULICA El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas: la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras. Este dispositivo, llamado prensa hidráulica, nos permite prensar, levantar pesos o estampar metales ejerciendo fuerzas muy pequeñas. El recipiente lleno de líquido de la figura consta de dos cuellos de diferente sección cerrados con sendos tapones ajustados y capaces de res-balar libremente dentro de los tubos (pistones). Si se ejerce una fuerza (F1) sobre el pistón pequeño (A1), la presión ejercida se transmite, tal como lo observó Pascal, a todos los puntos del fluido dentro del recinto y produce fuerzas perpendiculares a las paredes. En particular, la porción de pared representada por el pistón grande (A2) siente una fuerza (F2) de manera que mientras el pistón chico baja, el grande sube. La presión sobre los pistones es la misma, No así la fuerza! Como P1=P2 (porque la presión interna es la misma para todos los puntos) Entonces: ACTIVIDAD 1. La policía decomisó en un operativo, un pequeño lingote de oro de masa 0,8 kg y de volumen 235 cm3. Al observar las características del lingote, un técnico afirmó que era posible que dicho lingote no fuera de oro. ¿Es cierta la afirmación del técnico? (la densidad del oro es 19,3 g/cm3) 2. El mar Muerto tiene un alto índice de salinidad en la Tierra, a pesar de ser realmente un lago. ¿Por qué crees que una persona flota con mayor facilidad en este lago que en cualquier otro? 3. Calcula la masa y el peso de un colchón de aire, cuyas dimensiones son 2 m de largo, 2 m de ancho y 30 cm de profundidad. 4. En qué posición crees que el ladrillo ejerce mayor presión sobre el suelo. Explica. 5. Una mujer de 70 kg, se balancea sobre uno de los tacones de sus zapatos. Si el tacón es circular con un área de 0,8 cm2, ¿qué presión ejerce ella sobre el suelo? 6. Un hombre que pesa 800 N está de pie sobre una superficie cuadrada de 4 m de lado. Si se carga al hombro un saco de 40 kg, ¿cuánto debe medir la superficie de apoyo para que la presión sea la misma? 7. Una persona de 80 kg se encuentra de pie sobre la nieve. ¿Cuál sería la presión si estuviera provista de esquíes de 2 m de largo por 0,15 m de ancho? 8. Un buzo se encuentra a 50 metros de profundidad en el mar. Sabiendo que la densidad del agua de mar es 1,085 g/cm3, calcula la presión que está soportando el submarino. 9. Determina la diferencia de presión que hay entre dos puntos situados en el interior del mar, si están a 5 m y 35 m de profundidad, respectivamente. Densidad del agua del mar 1085 kg/m3 ESCOGE LA RESPUESTA CORRECTA. 10. En la siguiente gráfica se observa el comportamiento del volumen de 1 g de agua cuando se le aplica calor a presión atmosférica. De acuerdo con la información contenida en la gráfica la temperatura para la cual la densidad del agua es máxima es A. 8 oC B. 16 oC C. 0 oC D. 4 oC RESPONDE LA PREGUNTAS 11 Y 12 DE ACUERDO A LA SIGUIENTE INFORMACION La gráfica muestra la densidad de una sustancia sólida en función de la temperatura. cm3 de 5 Kg de esta temperatura de 5°C es 11. El volumen en sustancia a la A. 0,625 B. 6,25 C. 62,5 D. 625 12. El volumen de estos 5 Kg cambia al variar su temperatura. Con base a la gráfica se puede concluir que su volumen es A. mínimo cuando su temperatura es de - 15°C. B. mínimo cuando su temperatura es de 5°C. C. máxima cuando su temperatura es de 5°C. D. mínimo cuando su temperatura es de + 15°C. 13. En un líquido se sumergen 4 monedas de igual espesor. El tamaño de a es igual a c y el de b al de d. Adicionalmente las monedas a y b están sometidas por un par de soportes. La gráfica que corresponde a los valores de las presiones hidrostáticas, en los puntos señalados en las monedas, es la: Teniendo en cuenta el video, resuelve los siguientes problemas: Video: https://www.youtube.com/watch?v=bgrS3Jw8PGI 14. Tenemos una prensa hidráulica. Las áreas de sus secciones son 20 cm2 la del embolo pequeño y 150 cm2 la del embolo grande. Con ella queremos levantar una masa, ubicada en el embolo de mayor área, de 300kg. a) ¿Qué fuerza tiene que realizar el operador en el embolo de menor área de la prensa? b) Si la máxima fuerza que puede realizar fuese de 650 N, ¿podrá levantar el objeto? 15. Una prensa hidráulica está provista de dos émbolos, uno de 10 cm2y otro de 1000 cm2. Si se aplica en el menor una fuerza de 150N, ¿cuál es la fuerza que se ejerce en el émbolo mayor?
