estÁtica de los fluidos

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Unidad 6 ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS Marcela Ines Pesetti [email protected] Año 2019 CARRERAS: INGENIERÍA AGRONÓMICA BROMATOLOGIA Equipo docente: Ing. Marcela Ines Pesetti Ing. Rafael Rodrigo Ing. Federico Rosales Ing. Viviana Mercado Ing. Néstor Galdeano

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Page 1: ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS

Unidad 6

ESTÁTICA DE LOS

FLUIDOS

Marcela Ines Pesetti [email protected]

Año 2019

CARRERAS: INGENIERÍA AGRONÓMICA BROMATOLOGIA Equipo docente: Ing. Marcela Ines Pesetti Ing. Rafael Rodrigo Ing. Federico Rosales Ing. Viviana Mercado Ing. Néstor Galdeano

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Unidad 6

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Ministerio de Cultura y Educación Universidad Nacional de San Luis Facultad de Ingeniería y Ciencias Agropecuarias Departamento: Ciencias Básicas Área: Física CARRERAS: INGENIERÍA AGRONÓMICA – BROMATOLOGÍA

Estática de los fluidos

Introducción

Los fluidos desempeñan un papel crucial en muchos aspectos de la vida cotidiana. Los

bebemos, respiramos, nadamos en ellos y también circulan por nuestro cuerpo.

Un fluido es cualquier sustancia que puede fluir, usamos el término tanto para líquidos

como para gases.

Comenzaremos nuestro estudio con la estática de fluidos, es decir, el estudio de fluidos

en reposo en situaciones de equilibrio, basadas en la primera y la tercera leyes de

Newton. En las unidades anteriores, consideramos objetos sólidos y suponíamos que su

forma se conservaba, ahora vamos a ocuparnos de materiales que son muy deformables

y pueden fluir.

Definición de fluido: Se llaman fluidos a las sustancias cuyas moléculas poseen poca fuerza

de atracción, cambian su forma, lo que ocasiona que la posición que toman sus moléculas

varía, cuando se les aplica una fuerza.

Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene, manteniendo su propio

volumen.

Gases carecen tanto de volumen como de forma propios.

Los líquidos y los gases poseen propiedades específicas, sin embargo, tienen muchas

propiedades en común que proceden de su falta de rigidez. La palabra fluido se emplea

cuando se tratan las propiedades comunes a ambos.

Para simplificar el estudio, trabajaremos con fluidos “ideales” cuyas propiedades son:

incompresibles1 (densidad ρ constante) y no viscosos (μ=0)

Densidad

Una propiedad importante de cualquier material es su densidad, que se define como su

masa por unidad de volumen. Un material homogéneo, como el hielo o el hierro, tiene la

1 La incompresibilidad es una aproximación y se dice que el flujo es incompresible si la densidad permanece

aproximadamente constante. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado. Tambien significa que no se puede comprimir, es decir no se puede someter a una Presion y disminuir su volumen.

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misma densidad en todas sus partes. Usamos la letra griega ρ (rho) para denotar la

densidad. Si una masa m de material homogéneo tiene un volumen V, la definición de

densidad ρ es: 𝜌 =𝑚

𝑉 Ecuación 1

Dos objetos hechos del mismo material tienen

igual densidad, aunque tengan masas y volúmenes

diferentes. Eso se debe a que la razón entre masa

y volumen es la misma para ambos objetos.

A veces emplearemos el concepto de densidad

(Ecuación 1) para denotar la masa de un objeto

como:

𝑚 = 𝜌. 𝑉 Ecuación 2

Las unidades del SI para la densidad son kg

m3 o en

gr

cm3. Observe que:

𝟏𝐤𝐠

𝐦𝟑 =

𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈

(𝟏𝟎𝟎 𝒄𝒎)𝟑=

𝟏𝟎𝟑 𝒈

𝟏𝟎𝟔 𝒄𝒎𝟑= 𝟏𝟎−𝟑

𝒈𝒓

𝒄𝒎𝟑

Por lo que una densidad expresada en 𝑔𝑟

𝑐𝑚3 debe

multiplicarse por 1000 para dar el resultado en kg

m3.

Por ejemplo, la densidad del aluminio es 𝝆 =

𝟐. 𝟕𝟎 𝒈𝒓

𝒄𝒎𝟑 , que es igual a 2700kg

m3. Las

densidades de varias sustancias se presentan en la

tabla 1. La tabla especifica temperatura y presión

porque éstas afectan la densidad de las sustancias

(aunque el efecto es pequeño para líquidos y sólidos). Observe que el aire es

aproximadamente 1000 veces menos denso que el agua.

Ejemplo 1: Dados el volumen y la densidad, encuentre la masa. ¿Cuál es la masa de una

bola sólida de hierro de radio igual a 18 cm?

Solución: El volumen de cualquier esfera es:

TABLA 1

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pág. 3

𝑉 =4

3𝜋𝑅3

𝑉 =4

3𝜋(0,18𝑚)3 = 0,024 𝑚3

De TABLA 1 la densidad del hierro es ρ = 7,8x103 kg

m3 y de ecuación 2:

𝑚 = 𝜌. 𝑉 = 7,8x103 kg

m3 . 0,024 𝑚3

𝒎 = 𝟏𝟗𝟎 𝒌𝒈

Ejemplo 2: Calcule la masa y el peso del aire en una habitación a 20 °C cuyo piso mide 4.0

m X 5.0 m y que tiene una altura de 3.0 m. ¿Qué masa y peso tiene un volumen igual de

agua?

Solución:

El volumen de la habitación es: 𝑉 = 𝐿1𝐿2𝐿3 = 4m. 5m. 3m = 60 𝑚3 y de la ecuación 2:

𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 . 𝑉

𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = 1,20kg

m3. 60 𝑚3 = 72𝑘𝑔

El peso del aire es:

𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒𝑔 = 72𝑘𝑔. 9,8𝑚

𝑠2= 700𝑁

TABLA 2:

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pág. 4

La masa de un volumen igual de agua es:

𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1000kg

m3. 60 𝑚3 = 60000𝑘𝑔 = 6.104𝑘𝑔

𝑃𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎𝑔 = 6.104𝑘𝑔. 9,8𝑚

𝑠2= 5,9.105𝑁

¡El aire contenido en una habitación pesa aproximadamente lo que pesa una persona

adulta! El agua es casi mil veces más densa que el aire, y su masa y peso son mayores en

la misma proporción. De hecho, el peso de un cuarto lleno de agua seguramente hundiría

el piso de una casa común.

Presión en un fluido

La presión y la fuerza están relacionadas, pero no son lo mismo. Un fluido, ya sea líquido

o gas, que está en reposo, ejerce una fuerza perpendicular a cualquier superficie en

contacto con él, como por ejemplo la pared de un recipiente o un cuerpo sumergido en

él. Y si imaginamos una superficie dentro del fluido, el fluido a cada lado de ella ejerce

fuerzas iguales y opuestas sobre la superficie.

El concepto de presión es particularmente útil al tratar

con fluidos. Es un hecho experimental que un fluido

ejerce una presión en todas direcciones.

La presión se define como fuerza por unidad de área,

donde la fuerza F se entiende como la magnitud de la

fuerza que actúa perpendicularmente a la superficie de

área A. La presión es una magnitud escalar.

Finalmente podemos decir que:

𝑃 =𝐹

𝐴 Ecuación 3

Donde F es la fuerza normal neta en un lado de la

superficie A.

En cualquier profundidad de un fluido en reposo, la presión es la misma en todas

direcciones a una profundidad dada. Para ver por qué, veamos que sucede con un

diminuto cubo de fluido como se ve en la Fig. 1, el cual es tan pequeño que podemos

considerarlo un punto e ignorar la fuerza de gravedad sobre él. La presión sobre uno de

sus lados debe ser igual a la presión sobre el lado opuesto. Si esto no fuera cierto, se

Figura 1: La presión sobre uno de sus lados debe ser igual a la presión sobre el lado opuesto

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tendría una fuerza neta sobre el cubo y éste comenzaría a moverse. Si el fluido no está

fluyendo, entonces las presiones deben ser iguales.

Esta presión, llamada Presión Hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza

perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin

importar la orientación que adopten las caras.

La unidad del SI para la presión es el pascal.

𝟏 𝒑𝒂𝒔𝒄𝒂𝒍 = 𝟏𝑵

𝒎𝟐

La presión atmosférica (Patm), es la presión de la atmósfera terrestre, es decir, la presión

en el fondo de este “mar” de aire en que vivimos. Esta presión varía con el estado del

tiempo y con la altitud. La presión atmosférica normal al nivel del mar (valor medio) es 1

atmósfera (atm), definida exactamente como 101.325 Pa. Con cuatro cifras significativas:

𝑃𝑎 = 1𝑎𝑡𝑚 = 1,013𝑥105𝑃𝑎

Ejemplo 3: En la habitación descrita en el Ejemplo 2, ¿qué fuerza total descendente actúa

sobre el piso debida a una presión del aire de 1.00 atm?

Solución: El área del piso es A = (4.0 m).(5.0 m) =20 m2. De acuerdo con la Ecuación 3, la

fuerza total hacia abajo es:

𝐹 = 𝑃. 𝐴 =1 𝑎𝑡𝑚. 20𝑚2. 1,013𝑥105𝑃𝑎

1 𝑎𝑡𝑚= 2. 106𝑚2

𝑁

𝑚2

Teorema general de la hidrostática.

Vamos a encontrar una expresión que nos indica como

varía la presión con la profundidad en un líquido de

densidad uniforme. Consideremos un punto que está a

una profundidad h por debajo de la superficie del

líquido (es decir, la superficie está a una altura h por

arriba de este punto), como se muestra en la Fig. 2.

La presión debida al líquido a esta profundidad h es

provocada por el peso de la columna de líquido encima de él. Así, la fuerza debida al peso

del líquido que actúa sobre el área A es:

𝐹 = 𝑷𝒆𝒔𝒐 𝒍𝒊𝒒𝒖𝒊𝒅𝒐 = 𝑚𝑙𝑖𝑞 . 𝑔 = (𝜌𝑙𝑖𝑞 . 𝑉)𝑔 = 𝜌. 𝐴. ℎ. 𝑔 Ecuación 4

Donde: 𝐴. ℎ es el volumen de la columna de líquido ρ es la densidad del líquido (que se supone constante) g es la aceleración de la gravedad

Figura 2: Cálculo de la presión a una profundidad h en un líquido.

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Por lo tanto, la presión P debida al peso del líquido es (de ecuación 3 y 4):

𝑃 =𝐹

𝐴=

𝜌. 𝐴. ℎ. 𝑔

𝐴

𝑷 = 𝝆. 𝒉. 𝒈 Ecuación 5

Análisis dimensional de la Ecuación 5:

𝑃 =𝐾𝑔

𝑚3. 𝑚.

𝑚

𝑠2=

𝑁

𝑚2= 𝑃𝑎

La Ecuación 5 nos dice que “La presión del fluido es directamente proporcional a la

densidad del líquido y a la profundidad dentro de éste” y el área A no afecta la presión a

una profundidad dada. En general, lo podemos

expresar como que: la presión dentro de un líquido

uniforme es la misma a profundidades iguales.

Ahora plantearemos que sucede si se ejerce una

presión adicional en la superficie del líquido, como la

presión de la atmósfera o la de un pistón que empuja

hacia abajo. Consideremos cualquier fluido y

determinemos la presión en un punto A, como se

muestra en la Fig. 3. Si la presión a una altura h1 en el

fluido es P1 y a una altura h2 es P2, entonces la Ecuación

5:

𝑷𝟐 − 𝑷𝟏 = 𝝆. 𝒈. 𝒉 = 𝝆. 𝒈(𝒉𝟐 − 𝒉𝟏) Ecuación 6

Para la situación común de un líquido en un recipiente abierto, como el agua dentro de

un vaso, una pileta, un lago o el océano, se tiene una superficie libre en la parte superior.

En tal caso es conveniente medir las distancias desde esta superficie superior. Es decir,

llamamos h a la profundidad en el líquido, donde 𝒉 = (𝒉𝟐 − 𝒉𝟏) como se observa en la

Fig. 3. Si h2 es la posición de la superficie superior, entonces P2 representa la presión

atmosférica P0, en la superficie libre. Entonces, de la Ecuación 6, la presión P =P1 a una

profundidad h en el fluido es:

𝑷 = 𝑷𝟎 + 𝝆. 𝒈. 𝒉 Ecuación 7

h2 P1

P2= P0

h1

h = h2 -h1

Figura 3: Cálculo de la presión si se ejerce una presión adicional en la superficie del líquido

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Esta es la expresión de la presión en un fluido de

densidad uniforme, donde h es la profundidad del

líquido.

La presión P a una profundidad h es mayor que la

presión P0 en la superficie, en una cantidad 𝝆. 𝒈. 𝒉.

iObserve que la presión es la misma en dos puntos

cualesquiera situados en el mismo nivel en el fluido.

La forma del recipiente no importa (Fig. 4).

Ejemplo 4: La superficie del agua en un tanque de

almacenamiento está 30 m por arriba de un grifo de agua en la cocina de una casa (Fig.

5). Calcule la diferencia en la presión del agua entre

el grifo y la superficie del agua en el tanque.

El agua es prácticamente incompresible, así que ρ es

constante incluso para h =30 m y cuando podemos

utilizar la Ecuación 7 sólo importa h; podemos

ignorar la “ruta” del tubo y sus codos. Suponemos

que la presión atmosférica en la superficie del agua

en el tanque de almacenamiento es la misma que en el agua que sale por el grifo. La

diferencia de presión entre el grifo y la superficie del agua en el tanque es:

𝑷𝟐 − 𝑷𝟏 = ∆𝑷 = 𝝆. 𝒈. 𝒉

∆𝑷 = 𝝆. 𝒈. 𝒉 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒌𝒈

𝒎𝟑. 𝟗, 𝟖

𝒎

𝒔𝟐. 𝟑𝟎𝒎 = 𝟐, 𝟗𝒙𝟏𝟎𝟓

𝑵

𝒎𝟐

En este ejemplo, la carga del agua en el grifo es de 30 m. Los diferentes diámetros del

tanque y del grifo no afectan el resultado, sólo la presión lo afecta.

Conceptos importantes:

Presión atmosférica: La presión del aire en un punto determinado de la Tierra varía

ligeramente de acuerdo con el clima atmosférico. Al nivel del mar la presión de la

atmósfera, en promedio, es igual a 1.013𝑥105 𝑁

𝑚2. Este valor se usa para definir una

unidad de presión comúnmente usada, la atmósfera (abreviada atm):

𝟏 𝒂𝒕𝒎 = 𝟏. 𝟎𝟏𝟑 𝒙 𝟏𝟎𝟓 𝑵

𝒎𝟐 = 𝟏𝟎𝟏. 𝟑 𝒌𝑷𝒂.

Figura 4: la presión es la misma en dos puntos en el mismo nivel en el fluido

Figura 5: ejemplo 4

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Otra unidad de presión empleada con frecuencia (en meteorología y en mapas del

tiempo) es el bar, que se define como:

𝟏 𝒃𝒂𝒓 = 𝟏. 𝟎𝟎𝟎 𝒙 𝟏𝟎𝟓 𝑵

𝒎𝟐

La presión que se debe al peso de la atmósfera se ejerce sobre todos los objetos inmersos

en este gran mar de aire, incluidos nuestros cuerpos.

Presión manométrica: Si la presión dentro de un neumático es igual a la presión

atmosférica, el neumático estará desinflado.

Es importante notar que los manómetros para neumáticos, y de otros tipos, registran la

presión por encima de la presión atmosférica, llamada presión manométrica. Así, para

obtener la presión absoluta P o presión total, se debe sumar la presión atmosférica P0 a

la presión manométrica PG:

𝑷 = 𝑷𝟎 + 𝑷𝑮 Ecuación 8

O lo que es lo mismo, la presión manométrica PG, es la diferencia entre la presión absoluta

de un fluido y la presión atmosférica:

𝑷𝑮 = 𝑷 − 𝑷𝟎 Ecuación 9

Ejemplo 5: Si un manómetro para neumáticos registra una PG =220 kPa ó 2,2x105 Pa, la

presión absoluta P, dentro del neumático es:

𝑷 = 𝑷𝟎 + 𝑷𝑮 = 𝟏, 𝟎𝟏 𝒙𝟏𝟎𝟓𝑷𝒂 + 𝟐, 𝟐𝒙𝟏𝟎𝟓 𝑷𝒂 = 𝟑, 𝟐𝟏𝒙𝟏𝟎𝟓 𝑷𝒂.

Esto equivale a 3.2 atm (o PG = 2.2 atm de presión manométrica).

Esto significa que, si la presión dentro de un neumático es igual a la presión atmosférica,

el neumático estaría desinflado. La presión debe ser mayor que la atmosférica para poder

sostener el vehículo, así que la cantidad

significativa es la diferencia entre las presiones

interior y exterior.

Medidores de presión

Manómetro de tubo abierto: Se han inventado

muchos dispositivos para medir la presión. El

medidor de presión más sencillo es el

manómetro de tubo abierto (fig. 6). El tubo en

forma de U contiene un líquido de densidad ρ,

que puede ser mercurio o agua. El extremo

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pág. 9

izquierdo del tubo se conecta al recipiente donde se medirá la presión P, y el extremo

derecho está abierto a la atmósfera, con P0 = Patm. La presión en el fondo del tubo debida

al fluido de la columna izquierda es 𝑷 + 𝝆𝒈𝒚𝟏, y la debida al fluido de la columna derecha

es 𝑷𝒂𝒕𝒎 + 𝝆𝒈𝒚𝟐. Estas presiones se miden en el mismo punto, así que deben ser iguales,

entonces de la Ecuación 7: 𝑷 + 𝝆𝒈𝒚𝟏 = 𝑷𝒂𝒕𝒎 + 𝝆𝒈𝒚𝟐

𝑷 − 𝑷𝒂𝒕𝒎 = 𝝆𝒈( 𝒚𝟐 − 𝒚𝟏) = 𝝆𝒈𝒉

Donde P es la presión absoluta, y la diferencia 𝐏 − 𝐏𝒂𝒕𝒎 entre la presión absoluta y la

atmosférica es la “presión manométrica”. Así, la presión manométrica es proporcional a

la diferencia de altura 𝒉 = ( 𝒚𝟐 − 𝒚𝟏) de las columnas de líquido.

Barómetro De Mercurio: La presión atmosférica se mide a menudo con un tipo

modificado de manómetro de mercurio con un

extremo cerrado, llamado barómetro de mercurio, que

consiste en un largo tubo de vidrio, cerrado por un

extremo, que se llena con mercurio y luego se invierte

sobre un plato con mercurio (Fig. 7). El espacio arriba

de la columna sólo contiene vapor de mercurio, cuya

presión es insignificante, así que la presión P0 arriba de

la columna es prácticamente cero. De acuerdo con la

Ecuación 7 𝑷 = 𝑷𝟎 + 𝝆. 𝒈. 𝒉

𝐏𝒂𝒕𝒎 = 𝐏𝟎 + 𝛒𝐠( 𝐲𝟐 − 𝐲𝟏) = 𝟎 + 𝛒𝐠( 𝐲𝟐 − 𝐲𝟏) = 𝛒𝐠𝐡

Así, el barómetro de mercurio indica la presión atmosférica Patm directamente por la

altura de la columna de mercurio.

Las presiones a menudo se describen en términos de la altura de la columna de mercurio

correspondiente, como “pulgadas de mercurio” o “milímetros de mercurio” (que se

abrevia mmHg). Una presión de 1 mmHg es 1 torr, en honor a Evangelista Torricelli,

inventor del barómetro de mercurio.

Principio de Pascal. Prensa hidráulica.

La atmósfera de la Tierra ejerce presión sobre todos los objetos con los que está en

contacto, incluyendo otros fluidos. La presión externa que actúa sobre un fluido se

Figura 7: “barómetro de

mercurio”

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transmite por todo ese fluido. Por ejemplo, si calculamos la presión debido al agua a una

profundidad de 100 m por debajo de la superficie de un lago:

𝑃 = 𝜌𝑔ℎ = 1000𝐾𝑔

𝑚3. 9.8

𝑚

𝑠2. 100𝑚 = 9.8𝑥105 𝑁

𝑚2.

1𝑎𝑡𝑚

𝟏.𝟎𝟏𝟑 𝒙 𝟏𝟎𝟓 𝑵

𝒎𝟐

= 9.7 𝑎𝑡𝑚.

Sin embargo, la presión total en ese punto se debe a la presión del agua más la presión

del aire por arriba de ella. Por consiguiente, la presión total (si el lago está cerca del nivel

del mar) es 9.7 𝑎𝑡𝑚 + 1𝑎𝑡𝑚 = 10.7 𝑎𝑡𝑚.

El científico francés Blaise Pascal (1623-1662) reconoció este hecho en 1653 y lo enunció

en la llamada ley de Pascal. El principio de Pascal establece que, si se aplica una presión

externa a un fluido confinado, la presión en cada punto del fluido se incrementa en la

misma cantidad.

Ley de Pascal: la presión aplicada a un fluido encerrado, se transmite a todas las partes del

fluido y las paredes del recipiente.

El elevador hidráulico o prensa hidráulica, que se

representa en la Fig. 8 ilustra la ley de Pascal:

Un pistón con área transversal pequeña A1

ejerce una fuerza F1 pequeña sobre la

superficie de un líquido (aceite).

La presión aplicada 𝑃 = 𝐹1

𝐴1 se transmite a

través del tubo conector a un pistón mayor

de área A2.

La presión P tiene el mismo valor en todos los puntos a la misma altura en el fluido según

la ley de Pascal, entonces la P aplicada es la misma en ambos cilindros, así que:

𝑃 = 𝐹1

𝐴1=

𝐹2

𝐴2 Ecuación 10

El elevador hidráulico es un dispositivo multiplicador de la fuerza con un factor de

multiplicación igual al cociente de las áreas de los pistones.

𝑭𝟐 = 𝑭𝟏.𝑨𝟐

𝑨𝟏

Ejemplo 6: Dos pistones de una prensa hidráulica, tiene 3 cm y 0,1 cm de radio. Si la fuerza

que ejerce el pistón en el más chico es de 5 N:

a) ¿qué fuerza se genera en el pistón más grande?

b) Si el recorrido del pistón más chico es 10 cm ¿cuánto recorrerá el más grande?

Figura 8: Elevador hidráulico

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Solución.

De acuerdo a la Ecuación 10:

𝐹1

𝐴1=

𝐹2

𝐴2

𝐹2 = 𝐹1

𝐴2

𝐴1= 5𝑁

𝜋(3𝑐𝑚)2

𝜋(0,1𝑐𝑚)2= 4500𝑁

b) el volumen de fluido que desplaza cada pistón es el mismo, entonces:

𝑉1 = 𝑉2

ℎ2 = 𝜋𝑟1

2ℎ1

𝜋𝑟22 =

(0,1𝑐𝑚)2

(3𝑐𝑚)210𝑐𝑚 = 0,1𝑐𝑚

Principio de Arquímedes. Flotacion

Los objetos sumergidos en un fluido parecen pesar menos que cuando están fuera de él.

Por ejemplo, si levantamos un objeto grande desde el suelo tendríamos dificultad, pero

a menudo puede levantarse fácilmente por ejemplo desde el fondo de una pileta.

Algunos objetos, como la madera, flotan sobre la superficie del agua, otros se hunden,

estos son dos ejemplos de flotación. Que el cuerpo flote o se hunda depende de la

densidad. Si el cuerpo es menos denso que el fluido, entonces flota. El cuerpo humano

normalmente flota en el agua, y un globo lleno de helio flota en el aire. En cada ejemplo,

la fuerza de la gravedad actúa hacia abajo, pero, además, el líquido ejerce una fuerza

ascendente sobre el cuerpo que llamaremos fuerza de flotación que casi equilibra la

fuerza de gravedad hacia abajo y les permite “quedar suspendidos” en equilibrio.

Se dice que, al estar en el baño público, Arquímedes2 observó que, al introducirse en el

agua, el nivel de ésta subía, entonces consideró que la cantidad de agua desplazada

estaba en relación con su masa. Y también, mientras se sumergía en la bañera, pensaba

cómo determinar si la nueva corona del rey era de oro puro o una falsificación. Fue

entonces que dedujo que si sumergía un objeto (como una corona de oro puro) ocurría

lo mismo que cuando se sumergía el, y como la masa dependía de su densidad, una

corona que no fuera sólo de oro, desplazaría una cantidad de agua diferente a una de oro

2 Arquímedes de Siracusa fue un físico, ingeniero, inventor, astrónomo y matemático griego. Aunque se conocen pocos detalles de su vida, es considerado uno de los científicos más importantes de la Antigüedad clásica.

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pág. 12

puro. Esta experiencia dio pauta para que Arquímedes le permitió establecer lo que ahora

conocemos como principio de Arquímedes que dice:

Si un cuerpo está parcial o totalmente sumergido en un fluido, el fluido ejerce una fuerza

hacia arriba sobre el cuerpo igual al peso (𝒎. 𝒈) del fluido desplazado por el cuerpo.

Por “fluido desplazado” se entiende un volumen de fluido igual al volumen sumergido del

objeto (o de la parte sumergida del objeto). Si el cuerpo se coloca en un vaso o recipiente

inicialmente lleno de agua hasta el borde, el agua que se derrama por la parte superior

representa el volumen de agua desplazada por el objeto.

Entonces, si sumergimos un objeto en un fluido, está sometido a dos fuerzas, el peso

debido a la gravedad y a la fuerza de flotación ascendente. A esta fuerza de flotación la

llamamos Empuje, y está referida al fluido desalojado.

𝑷 = 𝒎𝒄𝒈 = 𝝆𝒄. 𝑽. 𝒈 Ecuación 11

𝑬 = 𝑷𝒇 = 𝒎𝒇𝒈 = 𝝆𝒇. 𝑽. 𝒈 Ecuación 12

Donde: P= peso del cuerpo N E = empuje o fuerza de flotación (N) ρf = densidad del líquido (Kg/m3, gr/cm3) ρc = densidad del cuerpo (Kg/m3, gr/cm3) 𝑽 = 𝜟𝒉𝑨 Volumen del líquido desalojado por el cubo sumergido (m3, cm3)

También se dio cuenta, (analizando si la corona del rey era falsa o no) que determinar de

manera directa la densidad de un sólido no es una tarea fácil porque, incluso si se conoce

la masa, el volumen de un objeto de forma irregular es difícil de calcular. No obstante, si

el objeto se pesa en el aire (P) y también se pesa bajo el agua (P´). La cantidad (P´) se

llama peso aparente en el agua y es lo que una balanza registra cuando el objeto está

sumergido. El peso aparente (P´) es igual al peso verdadero (𝑷 = 𝒎𝒈) menos la fuerza

de flotación (E):

𝑷´ = 𝑷 − 𝑬 Ecuación 13

Si tenemos un cuerpo totalmente sumergido, las fuerzas que actúan sobre el cuerpo

serán el peso (P) y el Empuje (E):

Si 𝑷 > 𝑬 el cuerpo se hunde

Si 𝑷 = 𝑬 el cuerpo flota a media agua

Si 𝑷 < 𝑬 el cuerpo flota

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pág. 13

Ejemplo conceptual: Considere dos cubetas idénticas de agua llenas hasta el borde. Una

cubeta contiene sólo agua, mientras que la otra contiene además una pieza de madera

flotando en ella. ¿Cuál tiene el mayor peso?

Respuesta Ambas cubetas pesan lo mismo. Recuerde el principio de Arquímedes: la

madera desplaza un volumen de agua con un peso igual al peso de la madera. Algo de

agua se derramará de la cubeta; sin embargo, el principio de Arquímedes nos dice que el

agua derramada tiene un peso igual al peso del objeto de madera. Por lo tanto, las dos

cubetas tienen el mismo peso.

Ejemplo 7: Una bola de acero de 5 cm de radio se sumerge en agua, calcula el empuje

que sufre y la fuerza resultante.

Solución:

R=5 cm Ρagua= 1000 kg/m3 Ρacero=7,8x103 kg/m3

𝑉𝑐 = 4

3𝜋𝑅3 =

4

3𝜋(0,05𝑚)3 = 5,23𝑥10−4𝑚3

𝑬 = 𝝆𝒇. 𝑽. 𝒈 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒌𝒈

𝒎𝟑

4

3𝜋(0,05𝑚)3. 9,8

𝑚

𝑠2= 5,13 𝑁

𝑷 = 𝝆𝒄. 𝑽. 𝒈 = 𝟕, 𝟖𝐱𝟏𝟎𝟑 𝒌𝒈

𝒎𝟑

4

3𝜋(0,05𝑚)3. 9,8

𝑚

𝑠2= 40 𝑁

𝑃 − 𝐸 = 40𝑁 − 5,13𝑁 = 34,89𝑁

El P>E entonces el cuerpo se va hacia el fondo (Fig. 11)

Ejemplo 8: Se pesa un cubo de 10 cm de arista en el aire dando como resultado 19 N y a

continuación se pesa sumergido en agua dando un valor de 17 N. Calcula el peso aparente

y la densidad del cubo.

Solución:

Datos L=10cm Paire= 19N PH2O= 17N

El peso aparente es el peso del objeto sumergido en un fluido, o lo que es lo mismo, la

resultante del peso real y el empuje. Por lo tanto, el peso aparente es 17N, y el empuje:

𝑷𝒂𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑷 − 𝑬

𝐸 = 𝑃 − 𝑃𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 19𝑁 − 17𝑁 = 2𝑁

Figura 11: Ejemplo 7

Page 15: ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS

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pág. 14

Para saber la densidad, necesitamos la masa y el volumen. La masa la sacamos del peso

fuera del fluido, y el volumen, calculándolo a partir de las dimensiones del cubo:

𝜌 =𝑚

𝑉 y 𝑃 = 𝑚𝑔 = 19𝑁 𝑚 =

𝑃

𝑔=

19𝑁

9,8𝑚

𝑠2

= 1,94𝐾𝑔

𝑉 = 𝐿3 = (0,10𝑚)3 = 1𝑥10−3𝑚3

𝜌 =𝑚

𝑉=

1,94𝑘𝑔

1𝑥10−3𝑚3= 1938,76

𝑘𝑔

𝑚3