LA FISICA Y TU
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Hidrostática e Hidrodinámica



Fluidos

Se le llama fluido a toda sustancia que puede fluir. Los líquidos y gases son fluidos porque sus moléculas presentan poca resistencia al movimiento relativo entre ellas. Las fuerzas de cohesión son pequeñas e incluso ínfimas.

La densidad de un fluido se define como el cociente entre su masa y su volumen: la densidad es una magnitud escalar y en el sistema internacional se mide en (kg/metro cúbico)
Teniendo la densidad de un líquido y el volumen que ocupa podemos calcular el peso del fluido que seria el producto de su volumen por su densidad, se debe tener que el peso es una magnitud vectorial y esta dirigida hacia abajo.

Aparte de ejercer una fuerza hacia abajo llamada peso también ejercen una fuerza llamada empuje que actúa sobre las paredes verticales del recipiente que lo contiene.

Presión

La eficiencia de cierta fuerza a menudo depende del área sobre la que actúa. A la fuerza normal por unidad de área se llama presión.
Simbólicamente la presión, P esta dad por;
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donde A es el área donde se aplica la fuerza perpendicular F. La unidad de presión resulata de la relación entre cualquier unidad de fuerza entre la unidad de área.
Por ejemplo newtons por metro cuadrado y libras por pulgada cuadrada. En el sistema SI de unidades, al newton entre metro cuadrado se le llama Pascal (Pa).


Presión Atmosférica

La atmósfera está constituida por aire, una mezcla en ciertas proporciones de Nitrógeno y Oxígeno principalmente, que como toda substancia es atraída por el campo gravitacional terrestre, es decir la atmósfera tiene peso. La atmósfera es un fluido de varios kilómetros de altura, que producto de su peso, ejerce presión sobre todos los objetos sumergidos en ella. Esta presión se denomina presión atmosférica y disminuye con la altura.

Principio de Pascal

Sabemos que un líquido produce una presión hidrostática debido a su peso, pero si el líquido se encierra herméticamente dentro de un recipiente puede aplicarsele otra presión utilizando un émbolo; dicha presión se transmitirá íntegramene a todos los puntos del líquido. Ésto se explica si recordamos que los líquidos, adiferencia de los gases y sólidos, son prácticamente incompresibles.
Ésta observación fué hecha por el físico francés Blaise Pascal(1623-1662), quién enunció el siguiente principio que lleva su nombre;

__________"Toda presión que se ejerce en un líquido encerrado en un recipiente se transmite con la misma intensidad a todod los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que las contiene."__________

El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada de diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante le émbolo, se observa que sale el agua por todos los agujeros con la misma presión.
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Manómetro

Un dispositivo cúmun para medir la presión manométrica es el manómetro de tubo abierto.
El manómetro consiste en un tubo en forma de "U" que contiene un líquido que por lo general es merurio. Cuando ambos extremos del tubo estan abieros, el mercurio busca su propio nivel ya que en ambos extremos del tubo hay una presión de 1atm. Cuando uno de los extremos se conecta a una cámara
presurizada, el mercurio se elevará en el otro extremo hasta que las presiones se igualen. La diferencia entre los dos niveles de mercurio es una medida de la presión manométrica, es decir la diferencia entre la presión absoluta en la cámara y la presión atmosférica en el extremo abierto. Es tan común el empleo del manómetro en trabajos de laboratorio, que las presiones atmosféricas se expresan frecuentemente en centímetros de mercurio o bien en pulgadas de mercurio.

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El manómetro contiene mercurio que esta al mismo nivel, como se observa.


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El manómetro es conectado a una cámara cerrada y observamos lo que sucede.


Fuerza centrípeta
Toda fuerza dirigida hacia un centro fijo, desde la periferia de una trayectoria circular, se llama fuerza centrípeta. Centrípeta quiere decir; "en bsca del centro" o "hacia el centro". La fuerza centípeta no pertenece a un nuevo tipo de fuerza, sino tan solo es un nombre que se le da a cualquier tipo de fuerza, sea una tensión de cordón, la gravedad, fuerza eléctrica o la que sea, que se dirijan hacia un centro fijo. Si el movimiento es circular y se ejerce con rapidez, constante, esta fuerza forma un ángulo recto con la trayectoria del objeto en movimiento.
Por ejemplo;
Cuando un auto da vuelta en una esquina, la fricción entre los neumáticos y el asfalto proporciona la fuerza centrípeta que lo mantiene en una trayectoria curva, como se muestra en la siguiente figura:
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Si esta fricción no es suficiente grande, el auto no puede tomar la curva y los neumáticos patinan hacia un lado, entonces se dice que el auto derrapa.


Aceleración centrípeta

La aceleración del movimiento circular uniforme no tiene la misma dirección que la velocidad instantánea (que es tangente a la trayectoria circular en todo momento).
La aceleración en el movimiento circular uniforme se llama aceleración centrípeta; que significa aceleración que busca el centro.
Sin aceleración centrípeta, el movimiento no seguiría una trayectoria circular, sino recta. La aceleración centrípeta debe dirigirse radialmente hacia el centro, es decir, sin componente en la dirección de la velocidad perpendicular (tangencial), pues si no fuera así la velocidad la magnitud de esa velocidad cambiaría. Cabe señalar, que para un objeto en movimiento circular uniforme, la dirección de la aceleración centrípeta esta cambiando continuamente.
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Principio de Arquímedes

En el siglo III a.c., el gran filósofo, matemáticoy físico griego Arquímedes, al realizar cuidadosos experimentos descubrió la manera de calcular el empuje ascendente que actúa sobre los cuerpos sumergidos en líquidos. Sus conclusiones fueron expresadas en un enunciado que recibe el nombre de Principio de Arquímedes y cuyo texto es:
__________"Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje vertical hacia arriba, igual al peso del líquido desplazado por el cuerpo."_________
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Principio de Arquímedes
Enlace para ilustrar el Principio de Arquímedes.

Teorema de Bernoulli
El estudio de la dinámica de los fluidos fue bautizada hidrodinámica por el físico suizo Daniel Bernoulli, quien en 1738 encontró la relación fundamental entre la presión, la altura y la velocidad de un fluido ideal. El teorema de Bernoulli demuestra que estas variables no pueden modificarse independientemente una de la otra, sino que están determinadas por la energía mecánica del sistema.
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Prensa Hidráulica
La prensa hidráulica es una aplicación de principio de Pascal. Consta de dos émbolos de distintos diámetros, en sendos recipientes, los cuales están intercomunicados por un tubo.

La presión de un líquido se transmite a todos los puntos del mismo y a las paredes del recipiente que los contiene. Las flechas sólo indican que la presión es perpendicular a la superficie.

Por medio de uno de los émbolos se puede ejercer una presión en el líquido (agua o aceite contenido en el aparato). De acuerdo con el principio de Pascal, de esta presión se transmite al otro émbolo con la misma intensidad, por lo que éste debe subir. Para que los émbolos mantengan la misma posición, ambos deben ejercer la misma presión sobre el líquido.

Es decir, la presión que sobre el líquido ejerce el émbolo mayor es p= F/S, donde F es la fuerza que actúa y S es la superficie del émbolo mayor.

La presión que sobre el líquido ejerce él embolo menor es f/s donde f es la fuerza que actúa y s es la superficie del émbolo menor.

Entonces, si las presiones que ejercen ambos émbolos han de ser iguales tenemos que:
F = f

S = s

En donde:

F= fuerza en el émbolo de mayor superficie (rojo)

S= superficie del émbolo mayor

f= fuerza en el émbolo de menor superficie (amarillo)

s= superficie del émbolo menor

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Aplicaciones de la prensa Hidráulica
La prensa hidráulica es un dispositivo que tiene varias aplicaciones técnicas, porque la fuerza que ejerce en el émbolo menor se multiplica en el émbolo mayor, de tal manera que la fuerza resultante mucho mayor que la fuerza aplicada.

En el elevador de autos, en el émbolo menor envía por un tubo aceite a presión hasta un gran cilindro, donde levanta un émbolo de gran superficie que destaca sobre el aceite.

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Sistema de frenos hidráulico de un automóvil. La acción del pedal de freno desaloja aceite del cilindro. Éste se distribuye uniformemente entre los tubos que van a las ruedas y allí comprime las balatas contra los tambores de freno, ejerciendo igual presión en las cuatro ruedas.
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ESQUEMA DE UN SISTEMA DE FRENOS HIDRÁULICO


Tubo de Venturi
Cuando un líquido se mueve por un tubo llamado horizontal porque tiene la misma sección en toda su longitud, su energía potencial no varía, pero si el tubo no es horizontal, el liquido aumenta su velocidad en los estrechamientos y consecuentemente su energía cinética.

El aumento de la energía cinética produce una disminución de la presión como se puede observar en la figura:

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Por el tubo vertical que esta sobre un ensanchamiento el liquido sube a menor altura porque la presión es menor debido a la mayor velocidad del liquido en ese lugar, en el otro tuvo vertical ocurre lo contrario.

Viscosidad
Se demina viscosidad a la resistencia al desplazamiento de una capa líquida sobre la inmediata. La viscosidad depende de varios factores.

su formula es la siguiente:

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Ecuación de Poiseuille
Poiseuille fue el primero en determinar experimentalmente la correcta relación entre caudal, presión y radio del tubo.
La ecuación de Bernoulli desarrollada antes fue formulada para fluidos ideales (no viscosos e incompresibles). En los fluidos reales, compresibles o incompresibles, que circulan por un conducto, la viscosidad causa una pérdida de energía mecánica que depende del caudal, el coeficiente de viscosidad (antes visto); el régimen de flujo y la geometría del conducto.
La ley de Poiseuille permite calcular y relacionar la pérdida energética con el caudal, el coeficiente (Delta P); y las dimensiones de un tubo cilíndrico de paredes rígidas, en condiciones de flujo laminar. Poiseuille demostró experimentalmente en 1846 que el caudal Q se relaciona con la diferencia de presión entre los extremos del tubo (Delta P), su diámetro interno D y su longitud L , según la siguiente ecuación:
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Poiseuille halló que la constante k disminuía con la temperatura (hoy sabemos que esto es debido a la influencia de ésta sobre la viscosidad de los líquidos) pero era independiente del caudal y del radio y longitud del tubo. Poco después Wiedeman (1856) e independientemente Hagenbach (1860) modificaron la ecuación a su forma actual, que incluye la viscosidad como un factor independiente:
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Capilaridad
La capilaridad es una propiedad física del agua por la que ella puede, a través de un canal minúsculo, pasar por ella siempre y cuando el agua se encuentre en contacto con amba paredes de éste canal y estas paredes se encuentren sificientemente juntas. Es decir, la capilaridad se presenta cuando existe contacto con la pared de un sólido y un líquido especialmente si son ubos muy delgados.
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Adherencia
Es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos. También se define como la atracción mútua entre supeficies de dos cuerpos pueston en contacto.
Al sacar una varilla de vidrio de un recipiente con agua, ésta se moja porque se adhiere al vidrio.
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Pero si la misma varilla de vidrio se introduce a un recipiente de mercurio, al sacarlo se observa completamente seco, lo cual indica que no hay adherencia


Cohesión
Es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia, es decir, es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo.
En los líquidos, la cohesión se refiere a la tensión superficial, causada por una fuerza no equilibrada hacia el inferior del liquido que actúa sobre las moléculas superficiales y también en la transformación de un líquido en sólido.


Tensión Superficial
Es la condición existente en la superficie libre de un líquido, semejante a las propiedades de una membrana elástica bajo tensión. La tensión es el resultado de las fuerzas moleculares, que ejercen una atracción no compensada hacia el interior de un líquido sobre las moléculas individuales de la superficie; esto se releja en la considerable curvatura en los bordes donde el líquido esta en contacto con la pared del recipiente.
Concretamente, "la tensión superficial es la fuerza por unidad de longitud de cualquier línea recta de la superficie líquida que las capas superficiales situadas en los lados opuestos de la línea ejercen una sobre otra".
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La fórmula de la tensión superficial es la siguiente:
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Número de Reynolds
Los diferentes regímenes de flujo y la asignación de valor numéricos de cada uno fueron reportados por primera vez por Osborne Reynolds en 1883. Reynolds observó que el tipo de flujo adquirido por un líquido que fluye dentro de una tubería depende de la velocidad del líquido, el diámetro de la tubería y de algunas propiedades físicas del fluido.
Así el número de Reynolds es un número adimensional que relaciona las propiedades físicas del fluido, su velocidad y la geometría del ducto por el que fluye y esta dado por:
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donde:

Re= número de Reynolds
D= diámetro del ducto
v= velocidad promedio del líquido
p= densidad del líquido
u= viscosidad del líquido