INSTITUCIÓN EDUCATIVA: Monseñor Gerardo Valencia Cano. AREA: CIENCIAS NATURALES ASIGNATURA:

INSTITUCIÓN EDUCATIVA: Monseñor Gerardo Valencia Cano.
AREA: CIENCIAS NATURALES
ASIGNATURA:
FISICA
GUIA Nº 1
GRADO: 11°
PROFESOR: Melquisedec Lemos García.
LOGRO: Identifica los conceptos básicos de la hidrostática y la hidrodinámica y los aplica en la solución de
problemas auténticos.
INDICADORES DE LOGRO
Identifica las características de los fluidos.
Resuelve problemas físicos de densidad y presión atmosférica e hidrostática
Analiza situaciones físicas relacionadas con el principio de Pascal y Arquímedes.
Soluciona problemas aplicando el teorema de Bernoulli y la ecuación de continuidad.
INTRODUCCIÓN
Seguro que te has preguntado alguna vez, y si no ya es hora de que te lo preguntes, alguna de las siguientes
cuestiones:
•
Por qué hace más daño darse un golpe contra una esquina que contra la pared
•
Por qué se está más cómodo con la cabeza sobre una almohada que sobre el suelo
•
Por qué corta mejor un cuchillo bien afilado
•
Cómo funciona un gato hidráulico
•
Por qué las ventosas se pegan a la pared
•
Por qué sube el refresco cuando aspiras por una pajita
•
Por qué se flota más en el mar que en la piscina
•
Por qué las burbujas del cava se agrandan según suben por la copa
Estas y otras cuestiones tienen su explicación en una parte de la física denominada mecánica de fluidos, más
concretamente la mecánica de fluidos que estudia los líquidos y los gases sin movimiento, es decir, la hidrostática.
A lo largo de la guía se van explicando los conceptos más importantes, al final tendrás la oportunidad de comprobar
tus conocimientos con unos ejercicios.
HIDROSTATICA E HIDRODINAMICA
La HIDROMECÁNICA es la rama de la mecánica que estudia los fluidos (líquidos y gases), sus comportamientos,
propiedades y aplicaciones. La hidromecánica se divide a su vez en tres ramas principales:
HIDROSTATICA: Estudia el equilibrio estático de los líquidos.
HIDRODINAMICA: estudia el movimiento dinámico de los líquidos.
NEUMÁTICA: Estudia los principios de las dos ramas a anteriores aplicados a los gases.
FLUIDO: es todo cuerpo que puede desplazarse fácilmente cambiando de forma bajo la acción de fuerzas pequeñas.
CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOS:
1. forma: Los fluidos carecen de forma propia, acomodándose siempre a la forma del recipiente que los
contiene. Solo en el caso de los líquidos, éstos presentan una forma esférica cuando no hay aceleración
gravitacional presente.
2. Volumen: Los líquidos se distinguen por tener volumen determinado, presentando una superficie libre que
los limita naturalmente. En cambio los gases carecen de volumen determinado, ocupando completamente el
recipiente que los contiene, cualquiera que sea su capacidad. Esta propiedad se llama expansibilidad.
3. Elasticidad: Es la propiedad que permite a los fluidos recobrar su volumen inicial cuando termina de actuar la
fuerza que modifico su volumen.
4. Comprensibilidad: Los líquidos se dice que son incomprensibles porque ofrecen una gran resistencia a toda
disminución de su volumen, transmitiendo por toda su masa la fuerza que se le aplique. Por el contrario los
gases son muy comprensibles porque ofrecen relativamente muy poca resistencia a la disminución de su
volumen.
5. Viscosidad: Es el grado de resistencia que ofrece un líquido al desplazarse, debido a la fricción interna de
sus moléculas. Todos los líquidos de la naturaleza tienen algún grado de viscosidad. Loa viscosidad depende
de la temperatura a la cual se encuentra el líquido. Se considera un fluido ideal al que carece de viscosidad.
6. Cohesión: Es el nombre que se la a las fuerzas de atracción intermoleculares. La forma de los líquidos se
debe a la poca cohesión que hay entre sus moléculas, lo que les brinda gran movilidad pudiendo deslizarse
unas entre otras. Sin embargo, en los gases la cohesión se puede considerar casi nula, haciendo que las
moléculas estén independientes unas de las otras.
DESARROLLO DE COMPETENCIAS
1. Elabore un mapa conceptual sobre las características de los fluidos.
LA DENSIDAD: Las diferentes sustancias que existen en la naturaleza se caracterizan porque para un mismo
volumen tienen diferente masa. Así por ejemplo, la masa de un centímetro cúbico de cobre es 8,9 g, mientras que el
mismo volumen de alcohol tiene una masa de 0,81 gramos.
La densidad de una sustancia es la masa por la unidad de volumen de dicha sustancia.
Si una masa m ocupa un volumen v, la densidad d es igual a d = m/v
TALLER DE COMPETENCIAS
2. En un texto de física consulte la densidad de las siguientes sustancias en gr/cm 3.
Acero, aluminio, bronce, cobre, hielo, hierro, oro, plata, platino, plomo, agua, alcohol etílico, benceno, glicerina,
mercurio.
3. Resuelve los siguientes problemas:
a. Un recipiente de aluminio tiene una capacidad interior de 96 cm 3. Si el recipiente se llena totalmente de
glicerina, ¿Qué cantidad de glicerina en Kg llena el recipiente?
b. Cuál es la densidad de una sustancia, si 246 gramos ocupan un volumen de 33.1 cm 3?
c. ¿Qué capacidad debe tener un recipiente destinado a contener 400 g de alcohol etílico?
d. ¿Qué masa tiene un pedazo de hierro de 60 cm 3?
LA PRESION:
Se llama presión, a la magnitud de la fuerza ejercida perpendicularmente por unidad de área de la superficie. La
presión es una magnitud escalar.
P= F
P: Presión
A
A
F: Fuerza
A: Área
UNIDAD DE PRESION: En el sistema internacional la unidad de fuerza es el Newton y la de área es el metro
cuadrado. La unidad de presión será el Newton por metro cuadrado, el cual se llama Pascal, así:
1 Newton = 1 pascal
1 dina = 1 baria
m2
cm2
DESARROLLO DE COMPETENCIAS
4. Resuelve los siguientes problemas.
a. Un bloque de acero de forma paralelepípedo tiene las siguientes dimensiones: 2 cm de largo, 1,5 cm de
ancho y 1 cm de alto. Calcular la presión ejercida del bloque sobre la superficie en la cual se apoya,
cuando se coloca sobre cada una de sus caras.
b. Un cubo de madera de densidad 0,65 g/cm 3, ejerce una presión de 1300 N/m 2 sobre la superficie en la
cual se apoya. Calcular la arista del cubo.
PRESION HIDROSTATICA
Es la presión que ejercen las partículas de un líquido estático sobre un cuerpo que está
sumergido en el mismo. Esta presión depende la altura del líquido sobre el recipiente que
lo contiene, de su densidad y de la aceleración gravitacional. Su fórmula es P = dgh
P: presión hidrostática d: densidad del líquido g: gravedad
h: altura del líquido
A mayor profundidad (h) el cuerpo deberá soportar más la presión de las moléculas del líquido.
Entre mayor sea la densidad de un líquido, mayor será la presión ejercida, debido al aumento
en la concentración de partículas que ejercen su peso sobre la superficie del cuerpo sumergido.
La presión hidrostática solo depende de la profundidad y es independiente de la orientación
o forma del recipiente.
PRESION ATMOSFERICA: Es la fuerza de empuje que la atmósfera ejerce sobre la superficie
terrestre.
La atmósfera es una enorme masa gaseosa que envuelve totalmente a nuestro planeta. Su peso
genera una presión que se manifiesta en todo sitio y lugar de la superficie terrestre. Su valor no
es fijo, ya que varía con la altitud sobre la corteza y otros factores ambientales. Por lo que se
considera como patrón de medida, la presión atmosférica al NIVEL DEL MAR, con una
temperatura de 0º C, la cual se le llama 1 atmósfera.
BARÓMETRO DE TORRICELLI
El barómetro es un instrumento de medida de la presión atmosférica. El modelo más sencillo
fue inventado por evangelista Torricelli en 1644. Consiste en un tubo o varilla de vidrio de 1 m
de largo con uno de sus extremos cerrado, lleno de mercurio y dispuesto en un recipiente del
mismo líquido en forma vertical, quedando en contacto con el aire. El mercurio baja por el
tubo debido a su propio peso, hasta una altura determinada donde permanece en equilibrio.
Esa altura es proporcional al valor de la presión atmosférica externa, ya que el peso del
mercurio es contrarrestado por la fuerza que ejerce el peso de la atmósfera. La altura de la
columna de mercurio es independiente del diámetro del tubo y de su inclinación. A mayor
presión más alta es la columna y viceversa.
PRESION HIDROSTÁTICA TOTAL
Es la presión real que se ejerce en el interior del líquido y consiste en sumar la presión hidrostática interna
Junto con la presión externa que se ejerce encima del mismo líquido, es decir. Ptotal = Plíquido + Pexterna
Normalmente la presión externa sobre el líquido es la presión atmosférica.
PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTATICA
La diferencia de presión entre dos puntos de un líquido en equilibrio es proporcional a la densidad del líquido y al
desnivel de altura entre los dos líquidos.
P1 – P2 = dg (h1 – h2)
ACTIVIDAD
5. Resuelva los siguientes problemas:
a. Cuál es la presión a una profundidad de 1240 m bajo el agua de mar. (densidad: 1,03 g/cm3 ). Qué
fuerza actúa sobre una superficie de 4 m 2 colocados a esta profundidad?
b. ¿Cuál es la diferencia de la presión en las tuberías de agua en dos pisos de un edificio si la diferencia
de alturas es de 8,4 m?
c. Un tanque está lleno de gasolina (densidad: 0,7 g/ cm3 ), calcular la presión hidrostática a 20 cm de
profundidad.
d. Un joven toma gaseosa con un pitillo, explica por qué el líquido asciende por el pitillo.
e. Teniendo en cuenta que el valor de la presión atmosférica es: Pa = 1,013 x106 d/cm2, calcular el valor
aproximado del peso de la atmósfera, ten en cuenta que el radio de la tierra es de 6,38x106 m
PARADOJA HIDROSTATICA
La fuerza ejercida por un líquido sobre el fondo del recipiente que lo contiene, solo depende del área del mismo y de
la altura del líquido, siendo independiente de la forma del recipiente y por lo tanto, del peso del líquido contenido.
VASOS COMUNICANTES
Son un conjunto de tubos conectados a un depósito de líquido común, con sus
extremos abiertos a la presión atmosférica externa. Cuando se llena de líquido los
compartimientos de los vasos comunicantes, el nivel o altura del líquido será el
mismo para todas las secciones, así fuesen de formas o tamaños diferentes. Esto se
debe a que el equilibrio estático del líquido solo se logra si todos los puntos del
mismo que están expuestos a la presión atmosférica, se ubican a una misma
altura ( de forma horizontal ) para tener todos la misma presión con respecto a la externa.
EQUILIBRIO DE UN TUBO EN FORMA DE U
Cuando dos líquidos no miscibles se encuentran encerrados en un tubo en forma de U y están
en equilibrio, las alturas de sus superficies libres con relación a la superficie de separación son
inversamente proporcionales a sus densidades.
ACTIVIDAD
6. Resuelve los siguientes problemas:
a. Un tubo doblado en U contiene agua y aceite de densidad desconocida. La altura del agua respecto a la
superficie de separación es de 9 cm y la altura de la columna de aceite es de 10.6 cm ¿Cuál es la densidad
del aceite?
b. En un tubo doblado en U hay mercurio y cloroformo (densidad 0,66 gr/ cm3). Si la altura de la columna de
mercurio es de 4 cm, ¿cuál será la altura de la columna de cloroformo?
PRINCIPIO DE PASCAL
En un líquido encerrado, la variación de la presión en un punto se transmite
íntegramente a todos los otros puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo
contiene.
Este principio se basa en la poca o nula compresibilidad que tienen los líquidos, los
cuales ofrecen una gran resistencia a la disminución de su volumen. Por esto, cuando
se ejerce una fuerza externa sobre el líquido, con el propósito de deformarlo, esta
fuerza se distribuye homogéneamente por toda su masa y superficie.
PRENSA HIDRAULICA
Está compuesta por dos cilindros y cada uno contiene un pistón. Estos están en
contacto por medio de un líquido. Al ejercer una fuerza sobre el cilindro pequeño
se eleva la presión del líquido y se transmite al pistón grande haciendo que éste
se mueva hacia arriba.
Como las presiones son iguales en los dos pistones, el cociente entre las fuerzas
aplicadas y el área de sección es igual. Esto es:
F1 = F2
A1
A2
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
Todo fluido ejerce una presión sobre los cuerpos que se encuentran sumergidos en su
interior. La presión ejercida por los líquidos aumenta con la profundidad. Mientras más
profundo está el cuerpo, mayor es la presión que tiene que soportar. La presión que un
líquido ejerce sobre un cuerpo sumergido es mayor en la parte inferior del cuerpo que en
la parte superior. Esta diferencia de presiones produce una fuerza dirigida de abajo hacia
arriba que tiende a llevar el cuerpo hacia la superficie del líquido.
A esta fuerza se le denomina empuje y fue descubierta por Arquímedes. Este fenómeno físico se denomina principio
de Arquímedes, el cual se enuncia así:
“Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje hacia arriba, cuyo valor es el peso del
volumen del fluido desalojado por el cuerpo”
Del principio de Arquímedes podemos deducir:
 Un objeto completamente sumergido desplaza siempre un volumen de líquido igual a su propio volumen.
 Si un objeto es más denso que el fluido en el cual está inmerso, se hundirá.
 Si un objeto es menos denso que el fluido en el cual está inmerso, flotará.
 Si la densidad del objeto es igual a al del fluido en el cual está inmerso, el objeto no se hundirá ni flotará.
 El principio de Arquímedes también se cumple para los gases.
El “principio de flotación” establece que un objeto flotante desplaza un peso de fluido igual a su propio peso. Así un
barco de 12 000 toneladas debe construirse con la suficiente área para que desplace 12 000 toneladas de agua.
7. Resuelve los siguientes problemas:
a. El pistón de un gato hidráulico tiene 10 cm de diámetro. ¿qué presión en dinas/cm 2 se requiere para
levantar un auto de 1500 kg de masa?
b. En una prensa hidráulica sus cilindros tienen radios de 12 y 25 cm respectivamente. Si sobre el
émbolo de menor área se ejerce una fuerza de 28 N ¿qué fuerza ejerce la prensa hidráulica sobre el
embolo mayor?
c. Un cuerpo de 20 cm 3 de volumen se sumerge en alcohol etílico ¿qué empuje experimenta?
d. Un bloque metálico pesa 176 400 dinas en el aire y experimenta un empuje de 39200 dinas cuando
se sumerge en el agua ¿Cuál es el volumen y la densidad del metal?
e. Una piedra de densidad 2,6 gr/cm 3 se sumerge en agua experimentando una fuerza resultante de 4,8
N. Calcular la masa de la piedra.
f. Un bloque de madera de 0,58 gr/cm 3 de densidad y dimensiones 20 cm x 8 cm x 4 cm flota en el
agua. Calcular: ¿Qué fracción de volumen se encuentra sumergido? Qué fuerza adicional se debe
hacer sobre el bloque para sumergirlo completamente?
TEOREMA DE TORRICELLI
Si en un recipiente de paredes delgadas se abre un orificio pequeño, la velocidad con que
sale el Líquido por el mismo es igual a la velocidad que adquiriría si cayera
libremente en el vacío desde una altura (h) igual a la distancia vertical por encima del
orificio.
La velocidad de salida es proporcional a la raíz cuadrada de la profundidad (h) a la que se
Encuentra el orificio de salida. V =
2hg . El chorro que se produce describe una
trayectoria prácticamente parabólica semejante a la de los proyectiles.
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
En una tubería o canal que presenta dos secciones de distintos calibres o
diámetros, la velocidad del líquido en movimiento será mayor en la sección de
menor área, y viceversa, su velocidad será menor si el área de la sección es
mayor.
Se expresa como A1.V1 = A2.V2
El volumen de líquido que pasa por unidad de tiempo a través de un área
perpendicular a su desplazamiento es constante para cualquier sección de la
tubería.
TEOREMA DE BERNOULLI
En todo movimiento de fluidos, donde la velocidad es mayor, la presión es
menor, y viceversa, donde la velocidad es menor, la presión es mayor.
ACTIVIDADES
8. Resuelva los siguientes problemas:
a. Un tubo horizontal de 40,5 cm 2 de sección transversal se estrecha hasta que la sección sea de 17,5 cm2, si
por la parte ancha pasa agua a una velocidad de 54 m/s. Calcular la velocidad del fluido en la parte angosta y
el gasto.
b. El agua pasa por un tubo horizontal con un gasto de 3,46 litros/s ¿cuál será la velocidad del fluido en un
punto donde el área de la sección transversal es de 9 cm 2?
c. ¿Cuál es la velocidad de descarga del agua a través de un orificio circular de 4 mm de diámetro, localizado a
6 m por debajo del nivel del líquido? Calcula el gasto.
9. Consulte y copie en el cuaderno las biografías de Arquímedes, Blaise Pascal, Evangelista Torricelli, Robert Boyle
y Daniel Bernoulli .
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
La materia se encuentra en estados o fases con sus propias características:
Sólido: Mantiene forma y tamaño fijo. No cambia fácilmente su forma y volumen
Líquido: Adopta el volumen de acuerdo al recipiente que lo contiene. No son compresibles.
Gaseoso: No tiene forma ni volumen determinados. Son expansibles.
Hay otro estado de la materia llamado plasma que se define como un gas fuertemente ionizado, con igual número de
cargas libres positivas y negativas
DENSIDAD: Es una magnitud que indica la cantidad de materia en un volumen determinado, y se determina a través
de la expresión
D = M/V, donde
M es la masa y V es el volumen.
En el sistema SI se mide en Kg/m 3 y en el sistema CGS se mide en g/cm3.
Presión
La presión de una fuerza sobre una superficie se calcula dividiendo la fuerza aplicada entre la superficie de apoyo
Presión atmosférica
Es debida al peso del aire. La presión atmosférica varía con la altitud, a mayor altitud menos aire encima y por tanto
menos presión.
patm = pA= dHg · g · h
Presión hidrostática
Es la presión que ejercen las partículas de un líquido estático sobre un cuerpo que está
sumergido en el mismo. Esta presión depende la altura del líquido sobre el recipiente que
lo contiene, de su densidad y de la aceleración gravitacional.
Principio fundamental de la hidrostática
La diferencia de presión entre dos puntos de un líquido en equilibrio es proporcional a la densidad del líquido y al
desnivel de altura entre los dos líquidos.
P1 – P2 = dg (h1 – h2)
Principio de Arquímedes
El principio de Arquímedes dice que cuando un cuerpo se encuentra sumergido en un fluido experimenta una fuerza
hacia arriba, llamada empuje, igual al peso del fluido que ha desalojado.
Principio de Pascal
Dice que si se hace presión en un punto de una masa de líquido esta presión se transmite a toda la masa del líquido.
Teorema de Torricelli
Si en un recipiente de paredes delgadas se abre un orificio pequeño, la velocidad con que sale el Líquido por el
mismo es igual a la velocidad que adquiriría si cayera libremente en el vacío desde una altura (h) igual a la distancia
vertical por encima del orificio.
V=
2hg
Teorema de Bernoulli
Si la velocidad de un fluido aumenta, la presión disminuye.
Ecuación de continuidad
El volumen de líquido que pasa por unidad de tiempo a través de un área perpendicular a su desplazamiento es
constante para cualquier sección de la tubería.
Se expresa como A1.V1 = A2.V2