Estática de Fluidos Parte I ¿Qué es la Presión?. Experiencia de Magdeburg. Profesor Juan Sanmartín - Física y Química Curso 2012/2013 Fluidos Hidrostática La presión es la FUERZA por unidad de SUPERFICIE. Fuerza Presión(P) Superficie F A Unidades en S.I. N m2 Pa Si una fuerza actúa sobre una superficie pequeña, su efecto deformador es grande. Si una fuerza actúa sobre una superficie grande, su efecto deformador es pequeño. Problema: Calcula la presión que ejerce un elefante sobre la tierra si su masa es de 3000 kg y la huella de cada una de sus patas es aproximadamente un circulo de 15 cm de radio. Compara el resultado con la presión que ejerce una bailarina de 55 kg que aguanta sobre la punta de uno de sus pies sobre una superficie de 11 cm cuadrados. Sabiendo la fórmula de la presión descrita anteriormente… Fuerza Presión(P) Superficie F A Calculamos la presión primero para el elefante…sabiendo que la fuerza que ejerce es su peso. Pelefante melefante g 3000kg 9,81m s 2 29430N Y la superficie sobre la que se apoya son sus cuatro patas, que consideramos circulares. rpata 102 m 2 15cm 0,15m spata r 2 0,15 0,07m 2 cm Selefante 4 spata 4 0,07m2 0,28m2 . Obtenemos una presión de… Presiónelefante Pelefante 29430N 105107,1Pa 2 Spatas 0,28m En el caso de la bailarina… Pbailarina mbailarina g 55kg 9,81m Sbailarina s 2 539,55N 104 m2 3 2 11cm 1,1 10 m cm2 2 Calculamos la presión… Presiónbailarina Pbailarina 539,55N 490500Pa -3 2 Sbailarina 1,1 10 m Deducimos que… Presiónbailarina Presiónelefante Fluidos Hidrostática Un hombre de 700N (unos 70 kg.) puede estar de pié sobre un piso barnizado con zapatos de calle normales sin dañar el piso. Sin embargo si lleva puestos zapatos de golf, con numerosos clavos metálicos que sobresalen de las suelas causaría un daño considerable al piso. En ambos casos la fuerza neta que se aplica al piso es de 700N. Sin embargo, cuando el hombre lleva zapatos ordinarios, el área de contacto con el piso es considerablemente mayor que cuando lleva zapatos de golf. Por lo tanto, la presión sobre el piso es mucho menor cuando lleva zapatos ordinarios. El peso del fakir se reparte sobre los clavos de la cama, y por lo tanto la presión disminuye al aumentar la superficie, pues esta será la suma de todas las superficies de los clavos sobre los que apoya el cuerpo. Fíjate en la imagen pequeña donde un globo es aplastado contra una tabla de clavos y no revienta. ¡Ojo! todos los clavos tienen que tener la misma longitud pues de otra manera tanto el globo como el fakir se pincharían. Fluidos Hidrostática El 8 de mayo de 1654 tuvo lugar, en la ciudad alemana de Magdeburgo, ante el emperador Fernando III y su séquito la exhibición de un experimento espectacular, diseñado y realizado por el alcalde de la ciudad, el científico alemán Von Guericke. El experimento consistía en tratar de separar dos hemisferios metálicos, de unos 50 cm de diámetro, unidos entre sí por simple contacto, formando una esfera herméticamente cerrada, de la que se extraía el aire con una bomba de vacío, por cierto, inventada por el propio Von Guericke. Para facilitar el cierre hermético de los semiesferas metálicas o hemisferios, se disponía de un aro de cuero que se colocaba entre las superficies que se tocaban. Cada hemisferio disponía de varias argollas para pasar cuerdas o cadenas por ellas y así poder tirar hacia los lados opuestos. Los espectadores quedaron totalmente impresionados al comprobar que diferentes grupos de hombres tirando con todas sus fuerzas hacia ambos lados no conseguían separar los hemisferios. Tampoco pudieron inicialmente separarlos 16 caballos, en dos grupos de 8 a cada lado. Sólo después de un tiempo haciendo un gran esfuerzo lograron su objetivo provocando un estruendo enorme. Los hemisferios que formaban la esfera, que tanto esfuerzo costó abrir, se separaban sin ninguna dificultad con sólo dejar entrar de nuevo aire en su interior. Fluidos Hidrostática Todo lo que hay en la superficie de la Tierra, por estar en un mar de aire que pesa, recibe fuerzas perpendicularmente a su superficie en todas las direcciones. De la misma forma las reciben los hemisferios tanto en su interior dirigidas hacia fuera como en el exterior hacia dentro. Si una vez cerrados los hemisferios formando la esfera, se les quita casi todo el aire que hay dentro, las fuerzas sobre la superficie exterior que los aprieta uno contra el otro, es muy superior a la que actúa sobre ellos hacia fuera por el aire que tienen en su interior, lo que hace muy difícil separarlos. La fuerza neta que aprieta los hemisferios, repartida sobre toda la esfera formada, o sea, la que hay que vencer para separarlos, suponiendo que el vacío conseguido en el interior fuese como un 10% del aire exterior, es del orden del peso de siete toneladas. Estática de Fluidos Parte II Principio Fundamental de Hidrostática. Experiencia de Torricelli. Principio de Arquímedes. Fluidos Hidrostática Líquidos y Gases fluyen FLUIDOS En reposo Pueden estar en movimiento o en reposo (estáticos), pero recuerda que, aunque esté en reposo la masa, sus partículas, los átomos y las moléculas, están en continua agitación. Fluidos Hidrostática Si un fluido está en reposo en un recipiente, todas las partes del fluido, deben encontrarse en equilibrio estático. Asimismo, todos los puntos que están a la misma profundidad deben hallarse a la misma presión. Si no fuera así, una parte del fluido no estaría en equilibrio. Si la presión fuese mayor sobre el lado izquierdo del bloque que sobre el derecho, el bloque se aceleraría y por lo tanto no estaría en equilibrio. Fluidos Hidrostática Consideramos un depósito de un fluido (por ejemplo agua) lleno hasta una altura h Según lo que hemos visto la presión es igual a… PresiónP Peso fluido Fuerza Superficie Superficies Pesofluido mfluido g Sabiendo que la densidad es… masafluidom Densidadfluido VolumenfluidoV Podemos deducir mfluido Vfluido fluido Fluidos Hidrostática Entonces… Vfluido fluido g Pfluido S Sabiendo que el Volumen de un cilindro es base x altura Vcilindro bcilindro hcilindro s h Deducimos Vfluido fluido g sfluido hfluido fluido g Pfluido hfluido fluido g F 2 S sfluido Fluidos Hidrostática De lo que se deduce que la presión que ejerce un fluido solo depende de la altura de dicho fluido y de su densidad pero no del volumen del mismo. Pfluido hfluido fluido g En otras palabras, soportaremos la misma presión al sumergimos a la misma profundidad en un rio caudaloso que en una piscina. En el mar es distinto, ya que varia su densidad. Fluidos Hidrostática Evangelista Torricelli (1608 – 1647) Sirvió para cuantificar la presión de la atmósfera (tengamos en cuenta que el aire es un fluido y como tal cumple el Principio Fundamental de Hidrostática) Fluidos Hidrostática Para su experiencia Torricelli utilizó un tubo de 1 m. de cristal abierto por un lado y cerrado por el otro y una bañera o recipiente de Mercurio. Introdujo el tubo en el recipiente de mercurio hasta que se llenase. A continuación colocó el tubo en vertical de forma que la parte abierta no saliese del mercurio y así no se vaciase. Fluidos Hidrostática El mercurio por efecto de la gravedad tiende a salir del tubo debido a su peso. El mercurio que sale del tubo va a aumentar el nivel de este en el recipiente en contra del aire que está sobre la superficie de mercurio Llega un momento en que la presión de la atmosfera detiene la salida de Hg. del tubo de cristal. Quedando una columna de 760 mm. Fluidos Hidrostática Entonces dedujo que la presión atmosférica equivale a una columna de 760 mm. de Hg. y volviendo al Principio Fundamental de Hidrostática. PHg hHg Hg g 0,76m 13600kg 3 m 9,81m s2 PHg 101325Pa Patmosférica 1atm 760mmHg ¡Ojo! que esta experiencia es a nivel del mar. A medida que ascendemos la presión disminuye en torno a 1 mm de Hg cada 10,8 m. de ascensión Ver: http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/Videos/Torricelli/Index.htm Fluidos Hidrostática Un submarino militar navega a una profundidad de 600 m. Calcula la Presión que soporta y la fuerza que actúa sobre una compuerta de 50 cm. de diámetro Tenemos que tener en cuenta la presión atmosférica y la presión del agua. Psubmarino Patmosféric a Pagua_marin a Tomamos la presión atmosférica a nivel del mar (101325 Pa y la densidad del agua de mar 1024 Kg./m3. Entonces… Psubmarino Patmosférica agua _ marina hprofundidad _ submarino g Psubmarino 101325 1024 600 9,81 6128589Pa 60,5atm Fluidos Hidrostática Para finalizar calculamos la fuerza sobre la escotilla Fuerza Psubmarino F Psubmarino ses cotilla supersicie La superficie de la escotilla es una circunferencia… des cot illa 50cm. 0,5m. res cot illa 0,25cm. ses cot illa r 2 0,52 0,79m2 . Obtenemos… F Psubmarino ses cotilla 6128589 0,79 4841585N. Fluidos Hidrostática El lago Titicaca está ubicado en la meseta del Collao en los Andes Centrales a una altura promedio de 3812 metros sobre el nivel del mar entre los territorios de Bolivia y Perú. Calcula la presión que soporta un buzo que se sumerge a 20 m. de profundidad. El agua es dulce. Lo primero que tenemos que tener en cuenta es la presión atmosférica, es muy difenrete al nivel del mar ya que hemos ascendido 3812 y como hemos visto en la teoría cada 10,8 m. disminuye 1 mm. de Hg. Aplicamos una regla de tres… 10,8m 1mmHg entonces 3812m x x 3812 353mmHg 10,8 La presión atmosférica ha disminuido 353 mm de Hg. Fluidos Hidrostática Entonces en el lago tenemos una presión atmosférica de… Patmosférica 760 353 407mmHg. Lo que pasado a pascales… Patmosférica 101325Pa 407mmHg. 54262Pa 760mmHg Con lo que podemos resolver… Pbuzo Patmosférica Pagua 54262 1000 9,81 20 250462Pa Fluidos Hidrostática Arquímedes 287 – 212 a.d.C Fue un Matemático griego que nació en Siracusa, actual Italia, 287 a.C. y murió en el 212 a.C. Estudió en Alejandría, donde tuvo como maestro a Conón de Samos y entró en contacto con Eratóstenes; a este último dedicó Arquímedes su Método, en el que expuso su genial aplicación de la mecánica a la geometría, en la que «pesaba» imaginariamente áreas y volúmenes desconocidos para determinar su valor. Regresó luego a Siracusa, donde se dedicó de lleno al trabajo científico. Fluidos Hidrostática De Arquímedes solo se conocen una serie de anécdotas: la más conocida fue el método que utilizó para comprobar si existió fraude en la confección de una corona de oro encargada por Hierón II. Hallándose en un establecimiento de baños, advirtió que el agua desbordaba de la bañera a medida que se iba introduciendo en ella; esta observación le inspiró la idea que le permitió resolver la cuestión que le planteó Hierón. Se cuenta que, impulsado por la alegría, corrió desnudo por las calles de Siracusa hacia su casa gritando «Eureka! Eureka!», encontré! ¡Lo encontré!». es decir, «¡Lo Fluidos Hidrostática Enunciado del principio.- “Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.” Vamos a intentar explicarlo… Supongamos un cuerpo como el de la figura y un recipiente que contiene el fluido (ej.- agua) Fluidos Hidrostática Al introducir el objeto dentro del fluido, este desplaza un volumen idéntico de fluido, ya que ambos no pueden ocupar el mismo sitio. Evidentemente el fluido desplazado contribuye al aumento del nivel del fluido. Pero supongamos que ese fluido sale como se ve en la figura. El volumen del fluido desalojado, véase figura, tiene su peso, es decir … Pesofluido Vfluido fluido g Fluidos Hidrostática Pues el principio de Arquímedes nos dice que el empuje del cuerpo sumergido en el fluido es igual a este peso, es decir, al peso de este fluido que ha sido desalojado por la introducción del objeto dentro del fluido. Una vez que tenemos caro este principio vamos a ver los casos que se pueden dar… Fluidos Hidrostática Caso I.- Que el Peso del cuerpo sea mayor que el Empuje del fluido… Pesocuerpo Empujefluido Como vimos en el tema de fuerzas, el sistema va a tender hacia la mayor fuerza, el cuerpo va ir para el fondo. Pero si midiésemos el peso dentro del fluido nos daría mas bajo que fuera del mismo debido a que tenemos una fuerza en contra. (véase sumatorio de fuerzas en Estática). Por lo que definimos un Peso Aparente como… Paparente Preal E Fluidos Hidrostática Caso I.- Que el Peso del cuerpo sea mayor que el Empuje del fluido… Pesocuerpo Empujefluido Aplicando los principios aprendidos en el tema de Estática, vemos que una fuerza es mayor que la otra y por lo tanto, el cuerpo tomará la dirección y sentido de la fuerza mayor. Es decir el cuerpo asciende en el fluido debido a que el empuje es mayor que el peso. ¿Hasta que punto asciende?. Fluidos Hidrostática Siguiendo con el tema de Estática, ascenderá hasta que ambas fuerzas sean iguales, es decir… Pesocuerpo Empujefluido Que el Empuje sea igual al Peso. ¿QUÉ OCURRE PARA QUE AMBAS FUERZAS SE IGUALEN? El peso no va a variar. Quién varia es el empuje y ¿por qué? Porque ahora el volumen sumergido ha cambiado, es menor ya que parte del cuerpo está fuera del fluido y es este variación la que hace que Peso y Empuje sean iguales. Fluidos Hidrostática Los globos de la figura flotan en el aire debido a que el empuje que este realiza es mayor que el peso del globo. El motivo es que dentro del globo el aire está caliente, y por lo tanto, este disminuye su densidad y por consecuencia su Peso. Objetos pesados como una bola de billar flotan en mercurio porque la densidad de este es mucho mayor Fluidos Hidrostática Vejigas natatorias de los peces En condiciones normales, la densidad media de un pez es ligeramente mayor que la densidad del agua. En este caso, un pez se hundiría si no tuviese un mecanismo para ajustar su densidad: la regulación interna del tamaño de la vejiga natatoria. De esta manera los peces mantienen una flotabilidad neutra mientras nadan a diversas profundidades. Fluidos Hidrostática En un recipiente con agua introduzco un cubo de hierro hueco en el interior y lleno de helio. El espesor de la pared es de 1 cm. Pregunta: ¿Flota o se hunde?. Si flota calcula la porción de arista que se ve. Y si se hunde el peso aparente. Datos.- dagua=1040 Kg/m3. dFe=8000 Kg/m3.dHe=180 Kg/m3. Calculo el volumen del cubo Vcubo 0,1 0,1 0,1 0,001m3 Calculo el volumen del hueco Vhueco 0,08 0,08 0,08 0,000512m3 La diferencia es el volumen que ocupa el hierro VHierro 0,001 0,000512 0,000488m3 Fluidos Hidrostática Calculo el peso del hierro PFe m g VFe dFe g 0,000488 8000 10 39,04N Ahora calculo el peso de helio interior PHe m g VHe dHe g 0,000512 180 10 0,92N La suma de ambos pesos nos da el peso total del cubo que va a ser el peso sobre el que se realiza el empuje. PTotal 39,04 0,92 39,96N Calculo el empuje sobre el cubo, tengo que operar con el volumen total del cubo. E VH2O dH2O g 0,001 1040 10 10,4N Al ser mayor el peso que el empuje, el objeto SE HUNDE y por lo tanto he de calcular el peso aparente. Paparente P E 39,96 10,4 29,56N Estática de Fluidos Parte III Vasos comunicantes. Prensa Hidráulica Manómetro Fluidos Hidrostática Vasos comunicantes es el nombre que recibe un conjunto de recipientes comunicados por su parte inferior y que contienen un líquido homogéneo; se observa que cuando el líquido está en reposo alcanza el mismo nivel en todos los recipientes, sin influir la forma y volumen de estos. Esta propiedad fue explicada por Simon Stevin. Cuando sumamos cierta cantidad de líquido adicional, éste se desplaza hasta alcanzar un nuevo nivel de equilibrio, el mismo en todos los recipientes. Sucede lo mismo cuando inclinamos los vasos; aunque cambie la posición de los vasos, el líquido siempre alcanza el mismo nivel . Esto se debe a que la presión atmosférica y la gravedad son constantes en cada recipiente, por lo tanto la presión hidrostática a una profundidad dada es siempre la misma, sin influir su geometría ni el tipo de líquido. Al menos desde la época de la Antigua Roma, se emplearon para salvar desniveles del terreno al canalizar agua con tuberías de plomo. El agua alcanzará el mismo nivel en los puntos elevados de la vaguada, actuando como los vasos comunicantes, aunque la profundidad máxima a salvar dependía de la capacidad del tubo para resistir la presión. En las ciudades se instalan los depósitos de agua potable en los lugares más elevados, para que las tuberías, funcionando como vasos comunicantes, distribuyan el agua a las plantas más altas de los edificios con suficiente presión. Las complejas fuentes del periodo barroco que adornaban jardines y ciudades, empleaban depósitos elevados y mediante tuberías como vasos comunicantes, impulsaban el agua con variados sistemas de surtidores. Las prensas hidráulicas se basan en este mismo principio y son muy utilizadas en diversos procesos industriales. Fluidos Hidrostática Una prensa hidráulica es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores. En el siglo XVII, en Francia, el matemático y filósofo Blaise Pascal comenzó una investigación referente al principio mediante el cual la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite con la misma intensidad en todas direcciones. Gracias a este principio se pueden obtener fuerzas muy grandes utilizando otras relativamente pequeñas. Uno de los aparatos más comunes para alcanzar lo anteriormente mencionado es la prensa hidráulica, la cual está basada en el principio de Pascal. El rendimiento de la prensa hidráulica guarda similitudes con el de la palanca, pues se obtienen presiones mayores que las ejercidas pero se aminora la velocidad y la longitud de desplazamiento, en similar proporción. Su fórmula matemática FA FB PA PB S A SB La presión en ambos lados es igual, por lo tanto la fuerza partido de la superficie, es decir, la fuerza partido de la superficie del émbolo Supongamos un caso En una prensa hidráulica tenemos un émbolo a una persona y en el otro un camión, Las fuerzas que ejercen cada uno son sus respectivos pesos. Para que se mantengan en equilibrio la relación de la superficies de los émbolos tienen que se la misma. Problema: Supongamos que la persona tiene una masa de 75 kg. y el camión de 7200 kg. (TARA). Calcula el diámetro del émbolo sobre el que está la persona si el camión está sobre una plataforma de 5 m de largo por 2,5 m. de ancho Datos: Ppers. m pers. g 75 9,81 735,75 N Pcamion mcamión g 7200 9,81 70632 N S persona ? S camión 5 2,5 12,5m 2 Aplicamos la fórmula Fpersona Spersona Fcamión 735,75 70632 735,75 12,5 70632 S persona Scamión S per 12,5 Resolvemos S persona 735,75 12,5 0,13m 2 70632 Como la superficie del émbolo sobre la que está la persona es un círculo, tenemos que aplicar la fórmula de la superficie de un círculo. S persona r 0,13m rémbolo 2 2 0,13 0,2m. (diámetro) 2 r émbolo 2 0,2 0,4m. Problema: En la prensa hidráulica de la figura, aplicamos una fuerza de 30 N. sobre el émbolo mayor de 3 cm. de diámetro. Calcula la fuerza resultante en el émbolo menor de 0,9 cm. de diámetro. Datos: Fmayor 30N Fmenor ? mayor 3cm. 0,03m. rmayor 0,015m. Smayor 0,0152 7 10 4 m 2 . menor 0,9cm. 0,009m. rmayor 0,0045m. Smayor 0,00452 6 105 m 2 . Entonces: Fmayor Smayor Fmenor Fmenor 30 30 6 105 Fmenor 2,57N 4 5 4 Smenor 7 10 6 10 7 10 Fluidos Hidrostática Manómetro de dos ramas abiertas Estos son los elementos con la que se mide la presión positiva, estos pueden adoptar distintas escalas. El manómetro más sencillo consiste en un tubo de vidrio doblado en ∪ que contiene un líquido apropiado (mercurio, agua, aceite, entre otros). Una de las ramas del tubo está abierta a la atmósfera; la otra está conectada con el depósito que contiene el fluido cuya presión se desea medir. El fluido del recipiente penetra en parte del tubo en ∪, haciendo contacto con la columna líquida. Los fluidos alcanzan una configuración de equilibrio de la que resulta fácil deducir la presión manométrica en el depósito. Manómetro truncado El llamado manómetro truncado sirve para medir pequeñas presiones gaseosas, desde varios torrs hasta 1 Torr. No es más que un barómetro de sifón con sus dos ramas cortas. Si la rama abierta se comunica con un depósito cuya presión supere la altura máxima de la columna barométrica, el líquido barométrico llena la rama cerrada. En el caso contrario, se forma un vacío barométrico en la rama cerrada y la presión absoluta en el depósito vendrá dada por. Por el PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE HIDROSTÁTICA, estudiado en este Tema, sabemos que si en ambos lados del tubo tenemos el mismo líquido y siendo h igual para ambas ramas, la presión en el fondo será la misma. Según… Ptotal Patmosféric a Plíquido Patmosféric a d liquido g hliquido Entonces PA PB En el caso de dos líquidos inmiscibles como se puede apreciar en la figura… De acuerdo con la diapositiva anterior en A y B tenemos la misma presión y por lo tanto la cantidad de líquido que existe encima de dichos puntos ejercerá también la misma presión para que se mantenga el equilibrio. Entonces Pliquido _ rojo Plíquido _ azul _ sobre _ B Patmosféric a d rojo g hA Patmosféric a d azul g hB Nos queda… d rojo g hA d azul g hB Problema: Calcula la densidad del líquido rojo, sabiendo que el azul es agua salada 1040 Kg/m2. Aplicando lo anteriormente explicado d rojo g hA d azul g hB entonces d rojo d azul hB g d azul hB 1040 0,25 2166,7 Kg 3 m hA g hA 0,12 En este caso, el manómetro es utilizado para medir la presión de un gas, de acuerdo con lo anterior en A y B tenemos la misma presión. Entonces para calcular la presión del gas… Pgas Patmosféric a Plíquido Patmosféric a d liquido g hliquido Ejemplo: Consideramos que el líquido es mercurio (densidad=13600 Kg/m3). Calcula la presión del gas sabiendo que h mide 18 cm. Pgas Patmosféric a d liquido g hliquido Pgas 101360 13600 9,81 0,18 125374,9Pa 1,23atm Busca enlaces a otras páginas relacionadas con el tema en… www.juansanmartin.net