Fluidos
Un fluido es todo cuerpo que tiene la propiedad de fluir, y carece de rigidez y elasticidad, y en consecuencia cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma y adoptando así la forma del recipiente que lo contiene. Los fluidos pueden ser líquidos o gases según la diferente intensidad de las fuerzas de cohesión existentes entre sus moléculas.
En los líquidos, las fuerzas intermoleculares permiten que las partículas se muevan libremente, aunque mantienen enlaces latentes que hacen que las sustancias en este estado presenten volumen constante o fijo. Cuando se vierte un líquido a un recipiente, el líquido ocupará el volumen parcial o igual al volumen del recipiente sin importar la forma de este último.
Los líquidos son incompresibles debido a que su volumen no disminuye al ejercerle fuerzas muy grandes. Otra de sus propiedades es que ejercen presión sobre los cuerpos sumergidos en ellos o sobre las paredes del recipiente que los contiene. Esta presión se llama presión hidrostática.
Los gases, por el contrario, constan de partículas en movimiento bien separadas que chocan unas con otras y tratan de dispersarse, de tal modo que los gases no tienen forma ni volumen definidos. Y así adquieren la forma el recipiente que los contenga y tienden a ocupar el mayor volumen posible (son muy expandibles).
Los gases son compresibles; es decir, su volumen disminuye cuando sobre ellos se aplican fuerzas. Por ejemplo, cuando se ejerce fuerza sobre el émbolo de una jeringa.
La mecánica de fluidos es la parte de la Física que estudia los fluidos tanto en reposo como en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica se divide en la estática de fluidos o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo o en equilibrio; y en la dinámica de fluidos o hidrodinámica, que trata de los fluidos en movimiento.
Por otro lado en términos de lenguaje, se dice que es fluido a lo todo que surge con facilidad y está bien estructurado; es decir, al lenguaje suelto, corriente, fácil y continuado, sin interrupciones. Por ejemplo: María posee un alemán muy fluido en sus cualidades.
Características de los fluidos.
Compresibilidad:
Se le llama compresibilidad a la propiedad de los fluidos de disminuir su volumen amedida que son sometidos a presión constante. Difiere de la condensación, ya queésta última es la facultad que poseen los cuerpos en disminuir su volumen pasando atemperaturas más bajas. A diferencia de los sólidos, los fluidos se deforman másfácilmente, aunque los líquidos son bastante difíciles de comprimir en comparacióncon los gases. Por esto último, se les conoce a los gases como fluidos elásticos; poseenademás la propiedad de tener, todos, el mismo coeficiente de compresibilidad ydilatación.
Viscosidad:
Se le conoce como viscosidad a la resistencia de los fluidos a fuerzas tangenciales quebusquen su deformación. Esta resistencia o fuerza retardadora se ve motivada por elroce causado ya sea por el deslizamiento, otro fluido en contacto con él (las corrientesde aire sobre el mar). Todos los fluidos (incluyendo los gases) son viscosos, pero laviscosidad varía de acuerdo a la naturaleza de los fluidos y para un mismo fluido varíade acuerdo a su temperatura (cuando se eleva la temperatura para un gas la viscosidadaumenta, para un líquido la viscosidad disminuye). El coeficiente de viscosidad de unlíquido puede medirse comparando su velocidad de vertido con la de otro cuerpo (elagua) mediante un viscosímetro.
Presión
La presión es el resultado de la acción del líquido sobre las paredes de un recipiente y puede definirse a partir del cociente entre la fuerza aplicada por el fluido y el área de aplicación de dicha fuerza.
P = F/A
En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de presión usada es el pascal (Pa). Otras unidades usadas para esta magnitud son la atm, que corresponde a la presión ejercida por el aire atmosférico al nivel del mar, y el Torr, nombre dado en homenaje al Evangelista Torricelli por la invención del barómetro. 1 Torr equivale a la presión generada por una columna de 760 mm de mercurio.
1 atm = 1,01 x 105 Pa = 760 Torr
La Ley de Stevin determina la presión ejercida por un fluido en reposo de la siguiente manera:
P = patm + ρ.g.h
patm = presión atmosférica
ρ = peso específico del líquido
g = gravedad
h = altura de la columna del líquido considerado
Compresibilidad
Los líquidos son ligeramente compresibles y se consideran incompresibles en la mayoría de los casos; los gases son muy compresibles.
Resistencia al corte
Los líquidos y gases no resisten al corte y se deforman continuamente para minimizar las fuerzas de corte aplicadas.
Forma y volumen
Como consecuencia del punto anterior, los líquidos y gases toman las formas de sus recipientes. Los líquidos tienen volumen fijo relativo al recipiente que los contiene; estos volúmenes no son afectados significativamente por la temperatura y la presión, sin embargo el volumen del gas cambia con variaciones de temperatura y presión.
Resistencia al movimiento
Debido a la viscosidad, los líquidos aplican resistencia a cambios instantáneos en la velocidad; los gases tienen viscosidad muy baja.
Espacio molecular
Las moléculas de los líquidos están muy cerca unas de otras y están unidas entre sí con fuerzas de atracción elevadas; estas tienen baja energía cinética. La distancia recorrida por una molécula de agua entre colisiones es pequeña.
En los gases, las moléculas están relativamente alejadas y las fuerzas de atracción son débiles y la energía cinética de las moléculas es elevada; las moléculas de un gas recorren grandes distancias entre colisiones de las mismas
DENSIDAD:
La densidad, es una de las propiedades más características de cada sustancia.
Es a masa de la unidad de volumen.
Se obtiene dividiendo una masa conocida de la sustancia entre el volumen que ocupa.
Llamando m a la masa, y v al volumen, la densidad, d, vale:
d= m/v.
Unidades.
En el Sistema Internacional la unidad de densidad es el kg (Unidad de masa) entre el m3 (unidad de volumen). Es decir, el kg/cm3
Sin embargo es muy frecuente expresar la densidad en g/cm3 (Unidad cegesimal).
Peso especifico
El peso específico de una sustancia es el peso de la unidad de volumen.
Se obtiene dividiendo un peso conocido de la sustancia entre el volumen que ocupa.
Llamando p al peso y v al volumen, el peso específico, Pc, vale:
Pc= p/v
Unidades.
Sistema Internacional.
La unidad de peso específico es el N/m3; es decir, el newton (Unidad de fuerza y, por tanto, de peso) entre el m3 (Unidad de volumen).
Sistema Técnico.
Se emplean el kp/m3 y el kp/dm3.
Sistema Cegesimal.
Se utilizaría la dina/cm3, que corresponde a la unidad del sistema internacional.
RELACIÓN ENTRE EL PESO ESPECÍFICO Y LA DENSIDAD.
El peso específico y la densidad son evidentemente magnitudes distintas como se ha podido comparar a través de las deficiniones que se dieron en la parte de arriba, pero entre ellas hay una íntima relación, que se va a describir a continuación.
Se recordará que el peso de un cuerpo es igual a su masa por la aceleración de la gravedad:
P= m . g
Pues bien, sustituyendo esta expresión en la definición del peso específico y recordando que la densidad es la razon m/V, queda:
Pe= p/v= m.g /V = m/V . g = d.g
El peso específico de una sustancia es igual a su densidad por la aceleración de la gravedad.
Como hemos mencionado las unidades, la unidad clásica de densidad (g/cm3) tiene la ventaja de ser un número pequeño y fácil de utilizar.
Lo mismo puede decirse del kp/cm3 como unidad de peso específico, con la ventaja de que numéricamente, coinciden la densidad expresada en g/cm3 con el peso específico expresado en kp/dm3.
VALORES DE DENSIDADES.
Aluminio:
Densidad (kg/m3): 2698,4; (20 ºC)
Plástico:
Densidad (0,910 g/cc) plástico.
Polietileno:
El polietileno, un plástico más común, se recalienta a .160°C de los mas livianos con una densidad de 0,905 gr.
HIDROSTÁTICA
La materia existe en diferentes estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Los líquidos y los gases tienen propiedades comunes tales como su capacidad de fluir y de adoptar la forma de recipientes que los contiene por lo que se le denomina conjuntamente fluidos.
Los líquidos son prácticamente incompresibles, por lo que podemos considerar que su volumen no se modifica. El gas, en cambio se expande y comprime con facilidad.
La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica que estudia los fluidos en estado de equilibrio; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.
Aunque los fluidos obedecen a las mismas leyes físicas que los sólidos, la facilidad con la que cambian de forma hace que sea conveniente estudiar pequeñas porciones en un lugar de todo el fluido. Por eso se reemplazan las magnitudes extensivas (que dependen de la cantidad de materia) por las magnitudes intensivas (que dependen de la cantidad de materia) la masa se reemplaza por la densidad y el peso se reemplazara por el peso especifico
La presión (P) se relaciona con la fuerza (F) y el área o superficie (A) de la siguiente forma: P=F/A.
La ecuación básica de la hidrostática es la siguiente:
dP = ρgdh
Siendo:
P: presión
ρ: densidad del fluido
g: la aceleración gravitatoria de la Tierra
h: altura
Presión (símbolo P).
Es una magnitud física escalar que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie
Definición
Presión es la fuerza normal por unidad de área, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie, y está dada por:
P = F/A
Donde P es la fuerza de presión, F es la fuerza normal, es decir perpendicular a la superficie y A es el área donde se aplica la fuerza.
Unidades
Las unidades de presión son: En el Sistema Internacional de unidades (S.I.) la unidad de presión es el pascal que equivale a la fuerza normal de un newton cuando se aplica en un área de metro cuadrado. 1pascal = 1N/m 2 y un múltiplo muy usual es elkilopascal (Kpa.) que equivale a 100 N/m 2 o 1000 pascales y su equivalente en el sistema inglés es de 0.145 lb./in 2 .
Experiencia de Torricelli
Para medir la presión atmosférica, Torricelli empleó un tubo largo cerrado por uno de sus extremos, lo llenó de mercurio y le dio la vuelta sobre una vasija de mercurio. El mercurio descendió hasta una altura h = 0.76 m al nivel del mar. Dado que el extremo cerrado del tubo se encuentra casi al vacíop = 0, y sabiendo la densidad del mercurio es 13.55 g /cm3 ó 13550 kg/m3 podemos determinar el valor de la presión atmosférica.
Tipos de Presión
Presión Atmosférica
Es el peso de la columna de aire al nivel del mar. P Atm. =1Atm. = 760 mm-Hg = 14.7 lb/in 2 (psi)= 30 in-Hg=2116 ln/ft 2
Presión barométrica
Es la presión que se mide mediante un barómetro el cual se puede usar como un altímetro y puede marcar la presión sobre o bajo el nivel del mar.
Presión manométrica
Es la presión que se mide en un recipiente cerrado o tanque.
Presión absoluta y relativa
En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica. Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica más la presión manométrica (presión que se mide con el manómetro).
Presión hidrostática
La hidrostática, por su parte, es la rama de la mecánica que se especializa en el equilibrio de los fluidos. El término también se utiliza como adjetivo para referirse a lo que pertenece o está vinculado a dicha área de la mecánica.
La presión hidrostática, por lo tanto, da cuenta de la presión o fuerza que el peso de un fluido en reposo puede llegar a provocar. Se trata de la presión que experimenta un elemento por el sólo hecho de estar sumergido en un líquido.
El fluido genera presión sobre el fondo, los laterales del recipiente y sobre la superficie del objeto introducido en él. Dicha presión hidrostática, con el fluido en estado de reposo, provoca una fuerza perpendicular a las paredes del envase o a la superficie del objeto.
El peso ejercido por el líquido sube a medida que se incrementa la profundidad. La presión hidrostática es directamente proporcional al valor de la gravedad, la densidad del líquido y la profundidad a la que se encuentra.
La presión hidrostática (p) puede ser calculada a partir de la multiplicación de la gravedad (g), la densidad (d) del líquido y la profundidad (h). En ecuación: p = d x g x h.
Este tipo de presión es muy estudiada en los distintos centros educativos para que los jóvenes puedan entenderla bien y ver cómo la misma se encuentra en su día a día. Así, por ejemplo, uno de los experimentos más utilizados por los profesores de Ciencias para explicar aquella es la que se realiza mezclando diversos fluidos.
En este caso concreto, es habitual que apuesten por introducir en un vaso o cubeta agua, aceite y alcohol. Así, en base a las densidades de cada uno de estos líquidos se consigue que el agua quede abajo del todo, el aceite sobre ella y finalmente sobre ambos se situará el alcohol. Y es que este cuenta con una mayor densidad.
Si el fluido se encuentra en movimiento, ya no ejercerá presión hidrostática, sino que pasará a hablarse de presión hidrodinámica. En este caso, estamos ante una presión termodinámica que depende de la dirección tomada a partir de un punto.
En el ámbito sanitario se habla también de lo que se conoce como presión hidrostática capilar para definir a aquella que se sustenta en el bombeo del corazón y que lo que hace es empujar la sangre a través de los vasos. Frente a ella está también la presión hidrostática intersticial que, por su parte, es la que lleva a cabo el líquido intersticial, que es aquel que se encuentra alojado en el espacio que hay entre las células.
Asimismo en este campo, también está la llamada presión osmótica capilar que es la que desarrollan las proteínas plasmáticas, empujan el agua hacia el interior del vaso en cuestión. Y finalmente nos encontramos con la presión osmótica intersticial, que también realizan aquellas proteínas pero que se define por una concentración más baja que la anterior.