Fluids at Rest

Presentacin PowerPoint deJos Luis Castaeda Valdez, Profesor de FsicaI.E. Ing. Carlos Lisson BeingoleaLa MolinaEsttica de fluidos1

LOS GLOBOS AEROSTTICOS usan aire caliente, que es menos denso que el aire circundante, para crear una fuerza de flotacin ascendente. De acuerdo con el principio de Arqumedes, la fuerza de flotacin es igual al peso del aire desplazado por el globo.Fluidos en reposoPaul E. Tippens

Objetivos: Despus de completar este mdulo, deber:Definir y aplicar los conceptos de densidad y presin de fluido para resolver problemas fsicos. Definir y aplicar los conceptos de presiones absoluta, manomtrica y atmosfrica.Establecer la ley de Pascal y aplicarla para presiones de entrada y salida.Establecer y aplicar el principio de Arqumedes para resolver problemas fsicos.Densidad2 kg, 4000 cm3Madera177 cm345.2 kgPlomo: 11,300 kg/m3Madera: 500 kg/m34000 cm3PlomoMismo volumen2 kgPlomoMisma masa

5Ejemplo 1: La densidad del acero es 7800 kg/m3. Cul es el volumen de un bloque de acero de 4 kg?4 kg

V = 5.13 x 10-4 m3Cul es la masa si el volumen es 0.046 m3?

m = 359 kgPeso especficoEl peso especfico rr de un material es la razn de su densidad a la densidad del agua (1000 kg/m3).Acero (7800 kg/m3)rr = 7.80Latn (8700 kg/m3)rr = 8.70Madera (500 kg/m3)rr = 0.500Ejemplos:

PresinLa presin es la razn de una fuerza F al rea A sobre la que se aplica:A = 2 cm21.5 kg

P = 73,500 N/m2

La unidad de presin (pascal):Una presin de un pascal (1 Pa) se define como una fuerza de un newton (1 N) aplicada a una rea de un metro cuadrado (1 m2).

Pascal: En el ejemplo anterior la presin fue de 73,500 N/m2. Esto se debe expresar como: P = 73,500 PaPresin de fluidoUn lquido o gas no puede soportar un esfuerzo de corte, slo se restringe por su frontera. Por tanto, ejercer una fuerza contra y perpendicular a dicha frontera.La fuerza F ejercida por un fluido sobre las paredes de su contenedor siempre acta perpendicular a las paredes.Flujo de agua muestra FPresin de fluidoEl fluido ejerce fuerzas en muchas direcciones. Intente sumergir una bola de hule en agua para ver que una fuerza ascendente acta sobre el flotador.Los fluidos ejercen presin en todas direcciones.F

Presin contra profundidad en fluidoPresin = fuerza/rea

hmgreaLa presin en cualquier punto en un fluido es directamente proporcional a la densidad del fluido y a la profundidad en el fluido. P = rghPresin de fluido:Independencia de forma y reaEl agua busca su propio nivel, lo que indica que la presin del fluido es independiente del rea y de la forma de su contenedor.A cualquier profundidad h bajo la superficie del agua en cualquier columna, la presin P es la misma. La forma y el rea no son factores.Propiedades de la presin de fluidoLas fuerzas ejercidas por un fluido sobre las paredes de su contenedor siempre son perpendiculares.La presin del fluido es directamente proporcional a la profundidad del fluido y a su densidad.A cualquier profundidad particular, la presin del fluido es la misma en todas direcciones.La presin del fluido es independiente de la forma o rea de su contenedor.Ejemplo 2. Un buzo se ubica 20 m bajo la superficie de un lago (r = 1000 kg/m3). Cul es la presin debida al agua?

hr = 1000 kg/m3DP = rgh La diferencia de presin desde lo alto del lago al buzo es:h = 20 m; g = 9.8 m/s2

DP = 196 kPaPresin atmosfricaatmatmhMercurioP = 0Una forma de medir la presin atmosfrica es llenar un tubo de ensayo con mercurio, luego invertirlo en un tazn de mercurio.Densidad de Hg = 13,600 kg/m3Patm = rghh = 0.760 mPatm = (13,600 kg/m3)(9.8 m/s2)(0.760 m)Patm = 101,300 PaPresin absolutaPresin absoluta: La suma de la presin debida a un fluido y la presin de la atmsfera.Presin manomtrica: La diferencia entre la presin absoluta y la presin de la atmsfera:Presin absoluta = Presin manomtrica + 1 atm

hDP = 196 kPa1 atm = 101.3 kPaDP = 196 kPa1 atm = 101.3 kPaPabs = 196 kPa + 101.3 kPaPabs = 297 kPaLey de PascalLey de Pascal: Una presin externa aplicada a un fluido encerrado se transmite uniformemente a travs del volumen del lquido.FoutFinAoutAinPresin entrada (in) = Presin salida (out)

Ejemplo 3. Los pistones pequeo y grande de una prensa hidrulica tienen dimetros de 4 cm y 12 cm. Qu fuerza de entrada se requiere para levantar un peso de 4000 N con el pistn de salida (out)?FoutFinAouttAin

F = 444 NRin= 2 cm; R = 6 cmPrincipio de ArqumedesUn objeto total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza de flotacin hacia arriba igual al peso del fluido desplazado.2 lb2 lbLa fuerza de flotacin se debe al fluido desplazado. El material del bloque no importa.Clculo de fuerza de flotacinFB = rf gVfFuerza de flotacin:h1mgreah2FBLa fuerza de flotacin FB se debe a la diferencia de presin DP entre las superficies superior e inferior del bloque sumergido.

Vf es el volumen del fluido desplazado.Ejemplo 4: Un bloque de latn de 2 kg se une a una cuerda y se sumerge en agua. Encuentre la fuerza de flotacin y la tensin en la cuerda.Todas las fuerzas estn equilibradas:mgFB = rgVTDiagrama de fuerzasFB + T = mgFB = rwgVw

Vb = Vw = 2.30 x 10-4 m3Fb = (1000 kg/m3)(9.8 m/s2)(2.3 x 10-4 m3)FB = 2.25 NEjemplo 4 (Cont.): Un bloque de latn de 2 kg se une a una cuerda y se sumerge en agua. Ahora encuentre la tensin en la cuerda.mgFB = rgVTDiagrama de fuerzasFB + T = mgT = mg - FBFB = 2.25 NT = (2 kg)(9.8 m/s2) - 2.25 NT = 19.6 N - 2.25 NT = 17.3 NA esta fuerza a veces se le llama peso aparente.Objetos que flotan:Cuando un objeto flota, parcialmente sumergido, la fuerza de flotacin equilibra exactamente el peso del objeto.FBmgFB = rf gVfmx g = rxVx grf gVf = rxVx grf Vf = rxVxObjetos que flotan:Si Vf es el volumen de agua desplazada Vwd, la gravedad especfica de un objeto x est dada por:Gravedad especfica:

Ejemplo 5: Un estudiante flota en un lago salado con un tercio de su cuerpo sobre la superficie. Si la densidad de su cuerpo es 970 kg/m3, cul es la densidad del agua del lago?

1/32/3Suponga que el volumen del estudiante es 3 m3.Vs = 3 m3; Vwd = 2 m3; rs = 970 kg/m3rw Vwd = rsVs

rw = 1460 kg/m3Estrategia para resolucin de problemas1. Dibuje una figura. Identifique lo dado y lo que debe encontrar. Use unidades consistentes para P, V, A y r.2.Use presin absoluta Pabs a menos que el problema involucre una diferencia de presin DP.3.La diferencia en presin DP se determina mediante la densidad y la profundidad del fluido:

Estrategia para problemas (Cont.)

5. Recuerde: m, r y V se refieren al fluido desplazado. La fuerza de flotacin no tiene que ver con la masa o densidad del objeto en el fluido. (Si el objeto est completamente sumergido, entonces su volumen es igual al del fluido desplazado.)4. Recuerde que todo lquido parcial o totalmente sumergido en un lquido, experimenta una fuerza por parte del lquido denominada fuerza de flotacin o EmpujeEstrategia para problemas (Cont.)6.Para un objeto que flota, FB es igual al peso del objeto; es decir, el peso del objeto es igual al peso del fluido desplazado:

FBmgResumen

Pascal: P = rghPresin de fluido:

Resumen (Cont.)FB = rf gVfFuerza de flotacin:Principio de Arqumedes:

Ley de Pascal:CONCLUSIN: Captulo 15AFluidos en reposo