Investigación parte 3.

¿Qué es hidrostática? 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.

Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Propiedades de los líquidos.

a) Compresión: Los líquidos bajo condiciones de temperatura y presión normales son también bastante difíciles de

comprimir aunque presenta una pequeña compresibilidad mayor que la de los sólidos.

b) Expansión: Como la forma de un fluido no está definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen

con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presión es muy notable, en tanto

que el cambio en el volumen de un líquido, para cambios en la temperatura o la presión, es muy pequeño.

Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez

veces mayor que la de los sólidos.

c) Difusión: El tratamiento realizado de la difusión es válido tanto en fase líquida, sólida o gaseosa, siempre que el

transporte se produzca como consecuencia del movimiento al azar de las moléculas y no por convección. La única

diferencia entre un medio y otro quedaría reflejado en el valor del coeficiente de difusión. El caso de los líquidos

es bastante peculiar ya que presenta movimiento molecular libre (a diferencia de lo sólidos) pero en un entorno

con alta densidad (a diferencia de los gases) y por tanto donde las colisiones son muy frecuentes.

d) Viscosidad: Los diferentes líquidos tienen distintas propiedades. Una de estas propiedades es la viscosidad, la

resistencia del líquido a fluir. El agua, la leche y el jugo de frutas son comparativamente líquidos y fluyen con más

facilidad que los fluidos más espesos y más viscosos como la miel, el jarabe de maíz, el champú o el jabón líquido.

La viscosidad es una propiedad importante de los fluidos de perforación. Un fluido más viscoso tiene mejor

capacidad para suspender los detritos de la roca y transportarlos hacia la superficie. Sin embargo, se necesita más

presión para bombear los fluidos muy viscosos, provocando un desgaste natural adicional del equipo de

perforación. Además, los fluidos viscosos son más difíciles de separar de los detritos.

e) Tensión Superficial: La tensión superficial en líquidos se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula de

dicho líquido son diferentes en el interior y en la superficie. Así en el seno del líquido, cada molécula está sometida

a fuerzas de atracción que de promedio se anulan. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta dirigida hacia

el interior del líquido. La tensión superficial pues produce que las moléculas de los líquidos estén muy apretadas.

Ejemplo: Si a un líquido le añadimos un detergente la tensión superficial disminuye. Esta disminución se manifiesta

cuando intentamos introducir polvos de talco en dicho líquido. Los polvos de talco no podrán atravesar la superficie

del agua, pues la tensión de las moléculas de la superficie lo impiden. Si añadimos jabón al agua, dicha tensión

disminuye y permite atravesar la superficie del agua al talco.

f) Capilaridad: La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de adsorber a otra. Sucede cuando las fuerzas

intermoleculares adhesivas entre el líquido y el sólido son mayores que las fuerzas intermoleculares cohesivas del

líquido. Esto causa que el menisco tenga una forma cóncava cuando el líquido está en contacto con una superficie

vertical. En el caso del tubo delgado, éste succiona un líquido incluso en contra de la fuerza de gravedad. Este es el

mismo efecto que causa que materiales porosos absorban líquidos.

Un aparato comúnmente empleado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar; cuando la parte inferior de un

tubo de vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como el agua, se forma un menisco cóncavo; la

tensión superficial succiona la columna líquida hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la

fuerza de la gravedad se equilibre con las fuerzas intermoleculares.

g) Adherencia: Es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes que se

ponen en contacto; generalmente un líquido con un sólido

Generalmente las sustancias líquidas, se adhieren a los cuerpos sólidos. Cuando se presenta el fenómeno de

adherencia significa que la fuerza de adhesión entre las moléculas de una misma sustancia es mayor que la fuerza

de cohesión que experimentan con otra sustancia distinta, con la cual tienen contacto. Tal es el caso del agua que

se adhiere al vidrio, la pintura al adherirse a un muro, el aceite al adherirse al papel, o la tinta a un cuaderno.

Cohesión y adherencia. Al juntar un líquido con un sólido tendremos como resultado que en la superficie de

contacto existen dos fuerzas de tendencia opuesta.

Por un lado, la fuerza de cohesión que tenderá a mantener las moléculas del líquido juntas, y por el otro, las fuerzas

de adhesión que tenderán a unir las moléculas del sólido con las del líquido, y por lo tanto a dividir al líquido.

Según sean los valores de estas fuerzas se obtienen diferentes resultados: si la adherencia es mayor que la

cohesión, el líquido se distribuye sobre la superficie del sólido, y se dice que lo moja. Se trata de una propiedad

importante de los “adherentes”

Si por el contrario, la cohesión es mayor que la adherencia el líquido tenderá a mantener su forma y una superficie

mínima de contacto con el sólido por lo que no lo mojará.

El que suceda una cosa u otra depende de las características del líquido y del sólido. Por ejemplo, cuando hay agua

sobre papel encerado se forman pequeñas gotas, pero cuando hay agua sobre cartulina, esta se moja. La diferencia

está dada por las características del sólido.

Pero puede suceder que el líquido sea el que determine el resultado final de la interacción con el sólido. Si

ponemos agua sobre la superficie de un vidrio, el agua se desparrama sobre el vidrio, y por lo tanto lo mojará, pero

si ponemos mercurio sobre el vidrio, éste conservará su forma de gota, aunque la gota esté aplastada debido a su

propio peso.

h) Densidad.

La densidad de una sustancia se define como la masa contenida en la unidad de volumen.

Como sabes de cursos anteriores, la masa es una medida de la cantidad de materia que contiene una sustancia.

La densidad, llamada también densidad de masa se expresa en kg/m3, y su valor se determina dividiendo la masa

de la sustancia entre el volumen que ocupa, lo anterior puede expresarse de la siguiente forma:

En donde:

r = la densidad de la sustancia, en kg./m3

m = la masa de la sustancia, en kg.

V = el volumen que ocupa la sustancia, en m3

i) Peso Específico

El peso específico de una sustancia se define como el peso de la sustancia por unidad de volumen.

El peso específico, llamado también densidad de peso o peso volumétrico de una sustancia se determina dividiendo

el peso de la sustancia entre el volumen que ocupa, se expresa en newton/metro cúbico (N/m3). Su expresión

matemática es:

P m · g

Pe = ------------ = -------------- = r · g

V V

En donde: Pe = peso específico de la sustancia, en N/m3.

P = peso de la sustancia, en newtons.

V = volumen que ocupa la sustancia, en m3.

m = la masa de la sustancia, en kg.

g = aceleración de la gravedad, en m/s2.

Presión:

Cuando te acuestas en un colchón se produce una deformación en él, pero es mayor si te paras sobre él. A pesar

de que tu peso no cambia por modificar la posición de tu cuerpo es mayor la deformación en el colchón porque el

área de contacto disminuye. En este caso decimos que la presión sobre el colchón aumenta. Por lo que definimos

a la presión como:

Fuerza aplicada

Presión = ---------------------------------------------------------

Área de contacto sobre la que actúa

La presión se mide en Pascales. 1 Pascal = 1 N /1m2

Un líquido contenido en un recipiente ejerce una fuerza sobre todas las paredes del recipiente. Como la fuerza es

perpendicular a la superficie de las paredes, conviene expresarla en términos de presión.

La presión se define como la fuerza por cada unidad de área, sobre la cual actúa.

La fórmula para el cálculo de la presión es:

F

P = --------

A

En donde:

P = presión, en N/m2 (1 N/m2 = 1 Pascal ).

F = fuerza perpendicular a la superficie, en newtons.

A = área o superficie sobre la que actúa la fuerza, en m2.

Presión manométrica: esta presión es la que ejerce un medio distinto al de la presión atmosférica. Representa la diferencia

entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica. La presión manométrica sólo se aplica cuando la presión es

superior a la atmosférica. Cuando esta cantidad es negativa se la conoce bajo el nombre de presión negativa. La presión

manométrica se mide con un manómetro.

Presión atmosférica: esta es la fuerza que el aire ejerce sobre la atmósfera, en cualquiera de sus puntos. Esta fuerza no

sólo existe en el planeta Tierra, sino que en otros planetas y satélites también se presenta. El valor promedio de dicha

presión terrestre es de 1013.15 Hectopascales o milibares sobre el nivel del mar y se mide con un instrumento

denominado barómetro.

Presión atmosférica:

Lo que ocurre con la presión atmosférica es que cuando el aire está a baja temperatura, desciende aumentando así la

presión. En estos casos se da un estado de estabilidad conocido como anticiclón térmico. En caso de que el aire se

encuentre a altas temperaturas sube, bajando la presión. Esto causa inestabilidad, que provoca ciclones o borrascas

térmicas.

Presión Hidrostática

La presión hidrostática es aquella presión que ejerce un líquido debido a su peso, sobre todo cuerpo que se encuentre

sumergido dentro de él.

Todo líquido contenido en un recipiente origina una presión sobre el fondo y las paredes del recipiente que lo

contiene, sin tener en cuenta las presiones que se ejercen sobre su superficie, como la atmosférica o la que se ejercería

con un pistón colocado sobre la superficie del líquido. Esta presión recibe el nombre de presión hidrostática, la cual

aumenta conforme mayor es la profundidad.

Todo cuerpo sumergido dentro de un líquido, se encuentra sometido a dicha presión hidrostática. La presión hidrostática

en cualquier punto, puede ser calculada multiplicando el peso específico del líquido por la altura que hay desde la

superficie libre del líquido hasta el punto considerado. Su expresión matemática es:

Ph = (Pe) (h) = r · g · h

En donde:

Ph = la presión hidrostática, en N/m2 ;

Pe = el peso específico del líquido, en N/m3;

h = la distancia desde la superficie libre del líquido hasta el punto considerado (altura de la columna de líquido), dada en

metros.

r = densidad del líquido.

g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2).

Principio de Pascal:

En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-

1662) que se resume en la frase: la presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite

por igual en todas las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante.

La presión en todo el fluido es constante: esta frase que resume de forma tan breve y concisa la ley de Pascal da por

supuesto que el fluido está encerrado en algún recipiente, que el fluido es incompresible... El principio de Pascal puede

comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con

agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma

presión.

También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas.

Prensa hidráulica

La prensa hidráulica es una máquina que se basa en el principio de Pascal para transmitir una fuerza. Aprovechando que

la presión es la misma, una pequeña fuerza sobre una superficie chica es equivalente a una fuerza grande sobre una

superficie también grande, proporcionalmente iguales.

Prensa Hidráulica

Principio de Arquímedes.

El principio de Arquímedes nos indica que “todo cuerpo sumergido dentro de un fluido experimenta una fuerza

ascendente llamada empuje, equivalente al peso del fluido desalojado por el cuerpo”.

Este principio lo aplicamos cuando nadamos, cuando tiramos un objeto al agua; el objeto se hunde si su peso es

mayor que el peso del fluido desalojado (desplazado). El objeto flota cuando su peso es menor o igual al peso

del fluido desplazado.

Fuerza de empuje:

La fuerza de empuje es una fuerza que aparece cuando sumerges un cuerpo cualquiera en un fluido. El módulo

de esta fuerza de empuje viene dado por el peso del volumen del fluido desalojado. Esto es conocido como ley

o principio de Arquímedes.

Se produce ya que la presión de cualquier fluido depende principalmente de la altura a la que nos encontremos

debajo de este (por decirlo de alguna manera, a la cantidad de fluido que tengamos encima). La presión ejerce

una fuerza sobre cualquier cuerpo sumergido en un fluido y tiene la propiedad de que la fuerza que ejerce es

perpendicular a la superficie del cuerpo siempre. Si pensamos en un cuerpo cúbico sumergido es evidente que

alguna de sus caras estará más profunda que el resto de ellas. Dado que la presión ejerce una fuerza sobre todas

las caras sin importar cuál sea y siempre perpendicular a esta, la fuerza que se ejerce sobre la cara más profunda

es mayor que la fuerza sobre la cara menos profunda, lo que da como resultante una fuerza ascendente. En las

caras laterales no ocurre esto ya que las fuerzas laterales se restan pues punto a punto se encuentran a la misma

altura.

Referencias:

http://www.profesorenlinea.com.mx/fisica/Hidrostatica.html

http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/dilatacion/liquidos

http://www.tiposde.org/ciencias-naturales/357-tipos-de-presion/

http://lafisicaparatodos.wikispaces.com/