HIDROSTATICA

                                                 PRINCIPIO DE PASCAL

En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico-matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: la presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.​

En pocas palabras, se podría resumir aún más, afirmando que toda presión ejercida hacia un fluido, se propagará sobre toda la sustancia de manera uniforme.​ 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 velocidad y por lo tanto con la misma presión.

También podemos observar aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas, en los elevadores hidráulicos, en los frenos hidráulicos, en los puentes hidráulicos y en los gatos hidráulicos. 

EJEMPLOS 

1. En los talleres para elevar un auto usan los "gatos" que funcionan bajo un principio muy similar a los frenos o a la prensa hidraulica.
2. Al inflar un globo te hablas dado cuenta que se infla uniformemente: la presión que ejerces con el aire impulsado se transmite por todo el aire del mismo modo ( aire=fluido gaseoso)

PRINCIPIO DE ARQUIMEDES 

El principio de Arquímedes es el principio físico que afirma: Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desalojado por el cuerpo. Esta fuerza​ recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SI). El principio de Arquímedes se formula así:

${\displaystyle E=Pe\;V=\rho _{\text{f}}\;g\;V\;}$

o bien cuando se desea determinar para compararlo contra el peso del objeto:

${\displaystyle \mathbf {E} =-Pe\;\mathbf {V} =-\rho _{\text{f}}\;\mathbf {g} \;V\;}$

donde E es el empuje [N], Pe es el peso específico del fluido [N/m^3],​ ρ_f es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo y g la aceleración de la gravedad. De este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales y descrito de modo simplificado​) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

EJEMPLOS DE LA VIDA DIARIA 

• Los flotadores que utilizamos en las piscinas y mares.
• Los submarinos.
• Los globos aerostáticos.
• La flotabilidad que tienen los botes, barcos o cualquier medio de transporte acuático.
• Los artefactos que se usan para medir la densidad de los líquidos.

 


FLUIDOS EN MOVIMIENTO 

La hidrodinamica es la parte de la hidraulica que se encarga de estudiar el comportamiento de los liquidos en movimiento. para ello se considera entre otras cosas la velocidad, la presion, el flujo y el gasto de liquido.

En el estudio dela hidrodinamica, el teorema de Bernoulli, que trata de la ley de la conservacion de la energia es de primordial importancia, pues señala que la suma de las energias cinética, potencial, y de presion de un liquido en movimiento en un punto determinado es igual a la de otro punto cualquiera.

La hidrodinámica estudia la dinámica de fluidos incompresibles. Por extensión, dinámica de fluidos.

Etimológicamente, la hidrodinámica es la dinámica del agua, puesto que el prefijo griego “hidro-” significa “agua”. Aun así, también incluye el estudio de la dinámica de otros fluidos. Para ello se consideran entre otras cosas la velocidad, presión, flujo y gasto del fluido. Para el estudio de la hidrodinámica normalmente se consideran tres aproximaciones importantes:

• Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con los gases.
• Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya que se supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es mucho menor comparándola con la inercia de su movimiento.
• Se supone que el flujo de los líquidos es en régimen estable o estacionario, es decir, que la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo.

La hidrodinámica tiene numerosas aplicaciones industriales, como diseño de canales, construcción de puertos y presas, fabricación de barcos, turbinas, etc.

El gasto o caudal es una de las magnitudes principales en el estudio de la hidrodinámica. Se define como el volumen de líquido ΔV que fluye por unidad de tiempo Δt. Sus unidades en el Sistema Internacional son los m3/s .

HIDROSTATICA

 DENSIDAD Y PRESIÓN 

La presión se define como fuerza por unidad de área. Para describir la influencia sobre el comportamiento de un fluido, usualmente es mas conveniente usar la presión que la fuerza. La unidad estándar de presión es el Pascal, el cual es un Newton por metro cuadrado.

Para un objeto descansando sobre una superficie, la fuerza que presiona sobre la superficie es el peso del objeto, pero en distintas orientaciones, podría tener un área de contacto con la superficie diferente y de esta forma ejercer diferente presion. 

CALCULO DE LA PRESIÓN 

Hay muchas situaciones físicas donde la presión es la variable más importante. Si usted está pelando una manzana, entonces la presión es la variable clave: si el cuchillo está afilado, entonces el área de contacto es pequeño y se puede pelar ejerciendo menos fuerza sobre el cuchillo. Si usted tiene que recibir una inyección, entonces la presión es la variable más importante para conseguir que la aguja penetre a través de la piel: es mejor tener una aguja afilada que una roma, ya que el área más pequeña de contacto, implica que se requiere menos fuerza para empujar la aguja través de la piel

Al estudiar la presión de un líquido en reposo el medio es tratado como una distribución continua de la materia. Pero si tratamos con la presión de gas, debe entenderse como una presión media de las colisiones moleculares contra las paredes del recipiente.

La presión en un fluido se puede ver como una medida de la energía por unidad de volumen por medio de la definición de trabajo. Esta energía se relaciona con las otras formas de energía del fluido por medio de la ecuación de Bernoulli.

PRESIÓN COMO DENSIDAD DE ENERGÍA 

La Presión de un fluido, puede considerarse como una medida de la energía por unidad de volumen. Para una fuerza ejercida sobre un fluido, se puede ver de la definición de presión:

La aplicación mas obvia es para la presión hidrostática de un fluido, donde la presión se puede usar como densidad de energía junto con la densidad de energía cinética y la densidad de energía potencial en la ecuación de Bernoulli.

La otra cara de la moneda es que la densidad de energía por otras causas, puede ser expresada convenientemente como una "presión" efectiva. Por ejemplo, la densidad de energía de las moléculas del disolvente que lleva a la ósmosis se expresa como presión osmótica. La densidad de energía que mantiene a una estrella sin colapsar se expresa como la presión de radiación.

PRESION HISROSTATICA 

La inmensa mayoría de los materiales presentes en la Tierra se encuentran en estado fluido, ya sea en forma de líquidos o de gases. No sólo aparecen en dicho estado las sustancias que componen la atmósfera y la hidrosfera (océanos, mares, aguas continentales), sino también buena parte del interior terrestre. Por ello, el estudio de las presiones y propiedades hidrostáticas e hidrodinámicas tiene gran valor en el marco del conocimiento del planeta.

Dado un fluido en equilibrio, donde todos sus puntos tienen idénticos valores de temperatura y otras propiedades, el valor de la presión que ejerce el peso del fluido sobre una superficie dada es:

siendo p la presión hidrostática, r la densidad del fluido, g la aceleración de la gravedad y h la altura de la superficie del fluido. Es decir, la presión hidrostática es independiente del líquido, y sólo es función de la altura que se considere.

Por tanto, la diferencia de presión entre dos puntos A y B cualesquiera del fluido viene dada por la expresión:

EJEMPLO 1 

Calcular la Presión Hidrostática en el fondo de una tina llena de Agua, si tiene 6 metros de altura. La densidad del Agua es de 1000 Kg/m3.

DATOS

PH = ? N/m2

ρ = 1000 Kg/m3

g = 9.81 m/s2

h = 6 m

SOLUCION

Multiplicamos aplicando la fórmula  PH = ρ*g*h

PH = ρ*g*h = (1000 Kg/m3)( 9.81 m/s2)( 6 m) = 58860 N/m2

EJEMPLO 2

Calcular la Presión Hidrostática en el fondo de una tina llena de Agua, si tiene 3 metros de altura. La densidad del Agua es de 998 Kg/m3.

DATOS

PH = ? N/m2

ρ = 998 Kg/m3

g = 9.81 m/s2

h = 3 m

SOLUCION

Multiplicamos aplicando la fórmula  PH = ρ*g*h

PH = ρ*g*h = (998 Kg/m3)( 9.81 m/s2)( 3 m) = 29371.14 N/m2

PRESION ATMOSFERICA

Es la presión de la atmósfera terrestre, la presión de el aire en que vivimos. Esta presión varía con el clima y con la altura. La presión atmosférica normal a nivel del mar (valor medio) es de 1 atmósfera (atm), definida como exactamente 101325 Pa. La presión atmosférica se denota por 

 med = 1 atm = 1.013 x

Pa = 1.013 bar = 1013 milibar

EJEMPLO 1 

*Cuando pegamos una ventosa sobre una superficie que sea lisa evitando que quede aire encerrado en la parte interna, la presión atmosférica la mantiene adherida firmemente de manera que no caiga por su peso.

EJEMPLO 2

* Si colocamos encima de una mesa un objeto pesado, el peso de este cuerpo va a ejercer sobre la superficie de la mesa una determinada presion.

PRESIÓN HIDROSTATICA

PRESIÓN ATMOSFÉRICA 

DENSIDAD 

Una de las propiedades de los sólidos, así como de los líquidos e incluso de los gases es la medida del grado de compactación de un material: su densidad.

La densidad es una medida de cuánto material se encuentra comprimido en un espacio determinado; es la cantidad de masa por unidad de volumen.

Probablemente a veces hemos escuchado hablar de densidad de la materia o de la densidad de un bosque o de la densidad poblacional.

Supongamos que vamos a ver un partido de fútbol y nos damos cuenta de que en las galerías del estadio hay muy poca gente. Si dividimos todos los asientos disponibles por el número total de asistentes tendremos como resultado un valor numérico grande, donde habrá más de un asiento por cada persona presente. Si el estadio está lleno totalmente, en la división propuesta tendríamos un valor numérico menor, si no sobran asientos, la división sería uno y significaría que hay un asiento por persona.

Dividir un espacio disponible por el número de personas presentes nos refleja el concepto de densidad poblacional. También sabemos que Santiago tiene más densidad poblacional que la ciudad de Limache. Eso significa que en Santiago hay más personas por metro cuadrado de superficie que en Limache. En los textos de geografía suele darse información sobre densidad de la población en diversas ciudades del país y del planeta.

Es altamente probable que en un bosque de pinos, que a futuro será madera, la densidad de los pinos plantados sea mayor que el de una plaza de una ciudad. Si contamos los pinos que hay en un cuadrado de 50 metros de lado, probablemente en el bosque hay más pinos que en la plaza. Entonces diríamos que el bosque tiene mayor densidad de árboles plantados que la plaza de la ciudad.

Ahora bien, un cuerpo está formado por materia y cada punto que contiene vendría a representar la unidad de la materia. Por mucho tiempo se consideró que el átomo era la unidad de la materia, ahora se sabe que no lo es, pero por ahora es conveniente que hablemos del átomo como unidad de la materia.

Una pequeña colección de átomos da origen a una molécula. Y una gran colección de moléculas da lugar a un cuerpo de algún tipo de sustancia. Las moléculas, con su respectivo tamaño y número de átomos, son diferentes para cada sustancia.

En Física tenemos que trabajar con cuerpos que tienen materia, por lo tanto cada unidad de materia podría significar una molécula o un átomo. Si el cuerpo es una sustancia pura, de un solo elemento (como un trozo de aluminio puro por ejemplo), entonces cada unidad material será un átomo, pero si el cuerpo es una sustancia compuesta (como un trozo de bronce por ejemplo), cada unidad material podrá considerarse como una molécula.

Cuántas unidades de materia hay en un cuerpo con determinado volumen determinan el concepto de densidad.

Como cada unidad material representa un átomo o molécula y estos tienen masa, la que se mide en gramos o en kilogramos, entonces la densidad de una materia representa cuántos gramos o kilogramos hay por unidad de volumen.

Hay sustancias que tienen más átomos por unidad de volumen que otros, en consecuencia tienen más gramos, o kilogramos, por unidad de volumen. Por lo tanto, hay sustancias que tienen más densidad que otros.

La densidad del agua, por ejemplo, es de 1 gr/cm3. Esto significa que si tomamos un cubo de 1 cm de lado y lo llenamos de agua, el agua contenida en ese cubo tendrá una masa de un gramo.

La densidad del mercurio, otro ejemplo, es de 13,6 gr/cm3. Esto significa que en un cubo de 1 cm de lado lleno con mercurio se tiene una masa de 13,6 gramos.

Los cuerpos sólidos suelen tener mayor densidad que los líquidos y éstos tienen mayor densidad que los gases.

Lo anterior está dado por el hecho de que en un gas las partículas que lo componen están menos cohesionadas, en términos vulgares esto significa que están más separados. En los líquidos hay mayor cohesión y en los sólidos la cohesión es mayor aún.

Y, entre los sólidos, hay sustancias que tienen diferentes densidades, por ejemplo: el plomo es de mayor densidad que el aluminio. Lo mismo ocurre entre los líquidos y entre los gases.

En general cada sustancia, pura o compuesta, tiene diferente densidad.