Fundamentos de Física: Fuerzas, Presiones y Principios de Fluidos

Fuerzas y Presiones

¿Qué es una fuerza?

En física, decimos que el hombre realiza una fuerza cuando empuja o impulsa un cuerpo y este "lleva" fuerza.

¿Qué es el peso?

El peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae.

¿Cómo se miden las fuerzas?

Si del extremo de un resorte colgamos pesos, el resorte se estira; si se quita el peso, vuelve a su posición original. Este instrumento es llamado "dinamómetro".

¿De qué se compone una fuerza?

Para definir una fuerza se requieren cuatro elementos fundamentales:

• Punto de aplicación
• Dirección
• Sentido
• Magnitud o intensidad

¿Qué son las magnitudes escalares y vectoriales?

Magnitudes escalares: Son las magnitudes cuyos datos quedan perfectamente determinados al indicar la medida y la unidad, como las longitudes, superficies y volúmenes.

Magnitudes vectoriales: Son las magnitudes que, además de la cantidad, se señalan con otras características (dirección y sentido).

¿Cómo se representa una fuerza?

Una fuerza se representa con una flecha (vector). El eje de la flecha señala el punto de aplicación, la recta define la dirección y la punta el sentido.

Presión

Se llama presión a la acción ejercida por una fuerza sobre una superficie. Si existe fuerza y superficie, la relación matemática es:
p = F / S
Ejemplo: p = 20kg / 4cm² = 5kg/cm²

Efectos de la presión

En el suelo mojado se hunde más el talón de una mujer que el de un hombre, ya que la superficie de apoyo es mucho menor en el caso de la mujer, concentrando más la fuerza.

Comparativa de presión:
1. p = 20kg / 2cm² | 2. p = 20kg / 6cm²

Diferencia entre fuerza y presión:

• Fuerzas iguales pueden producir presiones diferentes.
• Fuerzas diferentes pueden producir presiones iguales.

Principio de Pascal

Un líquido transmite la presión que se ejerce sobre él en todas las direcciones. Si se aplica una fuerza sobre un líquido contenido en un recipiente cerrado, la presión se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido.

Presión hidráulica

La propiedad de los líquidos de multiplicar o reducir una fuerza tiene muchas aplicaciones; una de ellas es la prensa hidráulica.

Lo que se gana en fuerza se pierde en recorrido: Una fuerza pequeña en el émbolo chico produce, multiplicada por 1000, el efecto de una fuerza grande. Sin embargo, si el émbolo chico se desplaza 50 cm, el grande solo sube 0,05 cm.

Principio de Arquímedes

El empuje hacia arriba

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza vertical hacia arriba; esa fuerza se llama empuje.

Volumen del líquido desalojado

Todo cuerpo sumergido totalmente desaloja un volumen de líquido exactamente igual al suyo.

Valor del empuje

El empuje es igual al peso del líquido desalojado.

Enunciado del Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje igual al peso del volumen desalojado.

¿Por qué unos cuerpos flotan y otros no?

• Si el empuje es mayor que el peso del cuerpo, este flota.
• Si el empuje es menor que el peso, el cuerpo se hunde.

Peso específico

El peso específico es el cociente entre el peso y el volumen de una sustancia.

Presión hidrostática

La presión en el interior

Cada parte del interior de un líquido soporta el peso de todas las capas de líquido que tiene encima. Como el líquido está en reposo, existe a la vez una presión de la capa hacia abajo igual a la presión hacia arriba.

Si dejamos caer agua en el interior de un tubo (con una lámina en el fondo), el nivel de agua no sube inicialmente, pero la lámina sigue cerrando el tubo por abajo debido a la presión externa. Cuando el nivel del agua en el interior iguala al exterior, la tapa se desprende y en el fondo vence el peso de las capas, haciendo que la tapa caiga por su propio peso.

La presión contra la pared

Hasta ahora hablamos de una presión que actúa solamente de forma vertical, pero en un fluido en reposo, las presiones actúan en todas las direcciones.

1. ¿Qué pasa con una fuerza sobre todo el recipiente? En el caso de un líquido en reposo, las fuerzas ejercen presión sobre él, y la presión existe porque el líquido está en equilibrio.
2. ¿Qué dirección tiene esa presión? Si llenamos un globo de goma con agua, vemos que la fuerza se dirige perpendicularmente a la superficie del mismo.

Superficies de igual presión

La presión depende directamente de la profundidad. Todos los puntos de un mismo plano horizontal soportan la misma presión. En puntos de un mismo plano, las presiones son iguales.