Fuerza y Presión en los Fluidos
Los tres estados comunes, o fases, de la materia, son sólido, líquido y gaseoso. El sólido mantiene una forma y un tamaño fijo; aún cuando se le aplica una gran fuerza, un sólido no cambiará con facilidad de forma ni de volumen. Un líquido no mantiene una forma fija, sino que toma la de su recipiente; al igual que los sólidos, no se comprime con facilidad, pero su volumen puede cambiar apreciablemente si se le aplica una fuerza muy grande. Un gas no tiene forma ni volumen fijos; se expande y llena su recipiente.
Por ejemplo, cuando se bombea aire a un neumático de automóvil, el aire no se concentra en el fondo, como lo haría un líquido, sino que llena todo el volumen del neumático. Puesto que los líquidos y los gases no mantienen una forma fija, tienen la capacidad de fluir; es por ello que se les llama genéricamente fluidos.
Densidad y gravedad específica
La densidad es una propiedad característica de cada sustancia y da idea de lo pesado de los átomos que la forman y de lo juntos que están: una misma masa de distintas sustancias ocupa distinto volumen.
d = M/V
La gravedad específica de una sustancia se define como la relación entre la densidad y la densidad del agua a 4.0ºC. La gravedad específica (GE) es un número puro, sin dimensiones ni unidades. Puesto que la densidad del agua es 1.00 g/cm3 = 1.00 x 103 kg/m3, la gravedad específica de cualquier sustancia es exactamente igual a su densidad en g/cm3 o 10-3 multiplicada por su densidad expresada en kg/m3.
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Presión
Un sólido al entrar en contacto con otro ejerce una fuerza en su superficie tratando de penetrarlo. El efecto deformador de esa fuerza o la capacidad de penetración depende de la intensidad de la fuerza y del área de contacto. La presión es la magnitud que mide esa capacidad.
P = F/S
Su unidad en el Sistema Internacional es el Pascal (Pa=1N/m2)
En el caso de los sólidos y en los fluidos, al aplicar una fuerza externa a una pared móvil de un recipiente que contiene un fluido, crea una presión que lo comprime. La fuerza repartida sobre la superficie de la pared móvil da el valor de la presión. El volumen que ocupa el fluido disminuye al aumentar la presión.La comprensibilidad es casi nula en los líquidos.
Aún sin fuerza externa, el peso del líquido ejercerá una presión hidrostática sobre sus capas inferiores. Esta presión engendra una fuerza que actúa desde el interior del líquido hacia fuera y perpendicularmente a todas las paredes del recipiente.
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La presión es un escalar, no tiene dirección ni sentido, pero la fuerza que crea contra las paredes es un vector, tiene dirección perpendicular a la superficie y sentido hacia fuera.
El concepto de presión tiene especial utilidad en el estudio de los fluidos. Es un hecho experimental que un fluido ejerce una presión en todas direcciones. Esto lo saben muy bien los nadadores y los buzos que sienten la presión del agua en todas las partes de su organismo. En determinado punto de un fluido en reposo, la presión es la misma en todas direcciones. Si no fuera así, la fuerza neta no sería cero y se movería hasta que la presión sí fuera igual. Si el fluido no fluye, entonces las presiones deben ser iguales.
Otra propiedad importante de un fluido en reposo es que la fuerza debida a su presión siempre actúa perpendicular a cualquier superficie que esté en contacto con él. Su hubiera un componente de la fuerza paralelo a la superficie, según la tercera ley de Newton, la superficie ejercería una fuerza opuesta a la del fluido, que, por su parte, también tendría un componente paralelo a la superficie. Este componente haría que el fluido fluyera, lo cual contradice nuestra hipótesis de que el fluido se encuentra en reposo. Así pues, la presión es perpendicular a la superficie.
Presión atmosférica, presión hidrostática y presión manométrica
La presión de la atmósfera terrestre, presión atmosférica, como en cualquier fluido, disminuye conforme disminuye la profundidad (o aumenta la altura). Pero la atmósfera terrestre es algo más complicada, porque no sólo varía la densidad del aire con la altitud, sino que no existe una superficie exterior definida, a partir de la cual se pueda medir la altura “h” para la ecuación siguiente:
P = dgh
Sin embargo, podemos calcular la diferencia de presión aproximada ente dos altitudes con la ecuación siguiente:
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La presión del aire en un determinado lugar varía ligeramente de acuerdo con el clima. Al nivel del mar, la presión de la atmósfera, en promedio, es de 1.013×105N/m2. Este valor se usa para definir otra unidad de presión de mucho uso: la atmósfera (que se abrevia atm).
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Otra unidad de presión que a veces se usa es el bar, que se define como 1.00×105N/m2=100kPa. Así, la presión atmosférica normal es ligeramente mayor que 1 bar.
La Hidrostática trata los líquidos en reposo. Un líquido encerrado en un recipiente crea una presión en su seno y ejerce una fuerza sobre las paredes que lo contienen.
La presión hidrostática en un punto del interior de un líquido es directamente proporcional a la densidad del fluido, d, a la profundidad, h, y a la gravedad del lugar, g.
P = dgh
Los fluidos ejercen también una presión sobre cualquier cuerpo sumergido en ellos. La presión será tanto mayor cuanto más denso sea el fluido y mayor la profundidad. Todos los puntos situados a la misma profundidad tienen la misma presión.
Podemos comprobar que la presión hidrostática aumenta al descender dentro de un líquido viendo que la velocidad con la que sale el líquido es mayor cuanto más abajo esté el agujero efectuado en la pared lateral del recipiente, ya que:
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La presión sobre las paredes aumenta hacia abajo y por tanto también lo hace la fuerza sobre las mismas. Si perforamos agujeros a distintas profundidades, la velocidad de salida se hace mayor al aumentar la profundidad.
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La presión debida al peso de la atmósfera se ejerce sobre todos los objetos sumergidos en este gran océano de aire, incluyendo nuestros cuerpos. ¿Cómo es que un organismo humano puede resistir la enorme presión? La respuesta es que las células vivas mantienen una presión interna que equilibra exactamente la presión externa. La presión dentro de un globo equilibra igualmente la presión fuera de él, debida a la atmósfera. Por su rigidez, un neumático de automóvil puede mantener presiones mucho mayores que la presión externa.
Sin embargo, se debe tener cuidado, al determinar la presión de un neumático, porque todos los manómetros, incluyendo los de los neumáticos, miden la presión que excede la presión atmosférica. A esta presión se le llama presión manométrica. Así, para obtener la presión P absoluta se debe sumar la presión atmosférica PA a la presión manométrica PM:
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El Principio de Pascal
La atmósfera ejerce presión sobre todos los objetos con los que está en contacto, incluyendo los otros fluidos. La presión externa que actúa sobre un fluido se transmite a través del mismo. El principio de Pascal establece que “la presión aplicada a un punto de un fluido estático e incompresible encerrado en un recipiente se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido”.
Si se ejerce una fuerza F exterior sobre un émbolo de sección S, se origina una presión en toda la masa líquida.
P = F/S
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La presión, como ya hemos comentado antes, es una magnitud escalar, no tiene dirección definida, pero la fuerza interior que origina es un vector perpendicular a la superficie sobre la que actúa. Por lo tanto dentro de una espera es perpendicular, en cada punto, a la superficie interior.
El chorro de líquido no sale con más fuerza por el agujero interior, como podría pensarse al empujar la fuerza externa el émbolo en esa dirección, sino que sale por todos los orificios con igual velocidad.
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Hay varios dispositivos que usan el principio de Pascal, por ejemplo, los frenos hidráulicos de un automóvil y la rampa hidráulica o el tan conocido “gato hidráulico”.
El gato hidráulico es empleado en los talleres para elevar coches. Es un depósito con dos émbolos de distintas secciones S1 y S2 conectados a él. La presión ejercida por el émbolo al presionar en la superficie del líquido se transmite íntegramente a todo el líquido. La presión es la misma en los puntos próximos a los dos émbolos. P1=P2.
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La fuerza F1 aplicada en el émbolo pequeño se aplica en un factor amplificado k tal que: F2 en el émbolo grande es k·F1. Además de amplificar el valor de F1 cambia su dirección de utilización, pues F2 estará dónde conectemos al depósito del segundo émbolo.
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Flotabilidad y Principio de Arquímedes
Los objetos sumergidos en un fluido parecen pesar menos que cuando están fuera del fluido. Por ejemplo, una roca que podría levantarse del suelo sólo con dificultad, podrá levantarse más fácilmente del fondo de una corriente. CUando la roca rebasa la superficie del agua, parece mucho más pesada. Muchos objetos como la madera, flotan sobre la superficie del agua. Se trata de dos ejemplos de flotabilidad o flotación. En cada uno de ellos, la fuerza de la gravedad actúa hacia abajo, pero además, el líquido ejerce una fuerza de flotación hacia arriba.
La fuerza de flotación se presenta debido a que la presión de un fluido aumenta con la profundidad. Así, la presión hacia arriba que se ejerce sobre la superficie inferior de un objeto sumergido es mayor que la presión hacia abajo sobre su superficie superior. Tras diversos estudios Arquímedes llegó a su principio en el que: “ Todo cuerpo sumergido en un fluido sufre una fuerza vertical y hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja la parte sumergida del cuerpo”.
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Si el fluido es agua:
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Como la masa desalojada es igual al volumen sumergido del cuerpo por la densidad (m = V·d):
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En nuestro día a día hacemos uso este principio con los globos o barcos. La ascensión de un globo se produce porque la densidad interior es menor que la del aire y el peso del aire desalojado es mayor que la suma del peso del gas interior, la cesta, el lastre y las cuerdas.
Los barcos flotan porque desplazan un peso de agua que es igual al peso del propio barco. Para que exista equilibrio y no oscilen, además de la igualdad entre el peso del cuerpo y el empuje, se requiere que el centro de gravedad del cuerpo y de la parte sumergida permanezcan sobre la misma vertical. Si el peso y el empuje no están en la dirección vertical se origina un par de fuerzas.
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