Fundamentos de Hidrodinámica y Electricidad: Conceptos Esenciales

Hidrodinámica

La hidrodinámica es la rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos (líquidos y gases) en movimiento.

Conceptos Fundamentales

Caudal (Q)

Se define como el volumen de líquido que atraviesa una sección transversal de un conducto por unidad de tiempo.

Fluido Ideal

Para simplificar el estudio, a menudo se considera un fluido ideal, que cumple las siguientes condiciones:

• Incompresible: Su densidad permanece constante.
• No viscoso: No presenta fricción interna entre sus capas.
• Flujo estacionario (o laminar): La velocidad del fluido en cualquier punto fijo no cambia con el tiempo.

Ecuación de Continuidad

Establece que, para un fluido incompresible en régimen estacionario que fluye por un conducto de sección variable, el caudal se mantiene constante. Si A es el área de la sección transversal y v es la velocidad del fluido:

A₁v₁ = A₂v₂ = Constante (Caudal)

Esto implica que la velocidad del fluido aumenta donde el conducto se estrecha y disminuye donde se ensancha.

Principio de Pascal

"El incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible contenido en un recipiente indeformable se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo."

Este principio es la base del funcionamiento de las prensas hidráulicas.

Teorema de Bernoulli

Describe el comportamiento de un fluido ideal moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Establece que la suma de la presión (P), la energía cinética por unidad de volumen (½ρv²) y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen (ρgh) es constante en cualquier punto del fluido:

P + ½ρv² + ρgh = Constante

Donde:

• P es la presión estática.
• ρ es la densidad del fluido.
• v es la velocidad del fluido.
• g es la aceleración debida a la gravedad.
• h es la altura sobre un nivel de referencia.

Electrostática

Estudia los efectos producidos por las cargas eléctricas en reposo.

Ley de Coulomb

Describe la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales en reposo. La magnitud de la fuerza electrostática (F) es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas (q₁ y q₂) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa:

F = k * |q₁ * q₂| / r²

Donde k es la constante de Coulomb.

Campo Eléctrico

Líneas de Fuerza

Son líneas imaginarias utilizadas para visualizar un campo eléctrico. Tienen las siguientes propiedades:

• La tangente a una línea de fuerza en cualquier punto indica la dirección del vector campo eléctrico (E) en ese punto.
• El número de líneas que emanan de una carga positiva o terminan en una carga negativa es proporcional a la magnitud de la carga.
• La densidad de las líneas de fuerza (número de líneas por unidad de área perpendicular a ellas) es proporcional a la intensidad del campo eléctrico.
• El campo eléctrico es tangente a las líneas de fuerza.
• Las líneas de fuerza nunca se cruzan.
• Salen de las cargas positivas y entran en las negativas.

Intensidad del Campo Eléctrico (E)

Es una medida vectorial del grado de perturbación que una carga eléctrica (o distribución de cargas) genera en su entorno. Se define como la fuerza eléctrica (F) que actuaría sobre una carga de prueba positiva (q₀) colocada en un punto, dividida por el valor de dicha carga:

E = F / q₀

Propiedades:

• Su dirección es la misma que la de la fuerza eléctrica sobre una carga de prueba positiva.
• Su sentido es el mismo que el de la fuerza si la carga de prueba es positiva.
• Se define en un punto P del espacio.
• Para no alterar significativamente el campo que se mide, el valor de la carga de prueba (q₀) debe ser muy pequeño. Se considera positiva por convención.

Potencial Eléctrico (V)

Es la energía potencial eléctrica por unidad de carga que posee una carga de prueba positiva en un punto determinado dentro de un campo eléctrico. Es una magnitud escalar.

V = Ep / q₀

Cálculo del Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico creado por una carga puntual q a una distancia r es:

V = k * q / r

Cuando existen varias cargas puntuales, el potencial eléctrico total en un punto es la suma algebraica de los potenciales creados por cada carga individual:

V_total = V₁ + V₂ + ... = k * q₁ / r₁ + k * q₂ / r₂ + ...

Diferencia de Potencial (ΔV)

También llamada voltaje, es el trabajo realizado por unidad de carga para mover una carga de prueba desde un punto A hasta un punto B dentro de un campo eléctrico, manteniendo el equilibrio (a velocidad constante).

ΔV = V_B - V_A = W_AB / q₀

Campo Eléctrico Uniforme

Es aquel campo eléctrico en el que el vector intensidad (E) tiene la misma magnitud, dirección y sentido en todos los puntos del espacio considerado. Las líneas de fuerza son paralelas y equidistantes.

Corriente Eléctrica y Circuitos

Corriente Eléctrica (I)

Es el flujo ordenado de carga eléctrica (generalmente electrones en los metales) que recorre un material conductor en una unidad de tiempo. Se produce debido a una diferencia de potencial (voltaje) entre los extremos del conductor.

• Sentido convencional: Por convención, se considera que la corriente fluye desde el potencial más alto (positivo) hacia el potencial más bajo (negativo).
• Corriente electrónica (sentido real): En los conductores metálicos, el flujo real es de electrones (carga negativa), que se mueven desde el potencial negativo hacia el positivo.

Tipos de Corriente

• Corriente Continua (CC) o Directa (CD): La corriente circula siempre en el mismo sentido (aunque su intensidad puede variar). El campo eléctrico que la impulsa es constante en dirección. Ejemplos: pilas, baterías, dínamos con colector.
• Corriente Alterna (CA): La corriente cambia su sentido y magnitud periódicamente. Es la utilizada en las redes eléctricas domiciliarias por su facilidad de transformación y transporte.

Intensidad de la Corriente Eléctrica (I)

Es la cantidad de carga eléctrica (ΔQ) que atraviesa una sección transversal de un conductor por unidad de tiempo (Δt).

I = ΔQ / Δt

Su unidad en el Sistema Internacional es el Amperio (A).

Fuerza Electromotriz (FEM, ε)

Es la energía suministrada por unidad de carga por un dispositivo (fuente de alimentación) capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. No es una fuerza en el sentido mecánico.

ε = Energía / Carga

Tipos de fuentes de FEM:

• FEM Directa: Proporciona una tensión constante o casi constante. Transforman energía (química, solar, etc.) en energía eléctrica. Ej.: Pilas, baterías.
• FEM Alterna: Genera una tensión que varía sinusoidalmente con el tiempo en magnitud y dirección. Transforman energía mecánica en energía eléctrica. Ej.: Generadores en centrales eléctricas.
• FEM Variable no Alterna: La corriente es variable en intensidad pero no necesariamente cambia de sentido, y puede ser de corta duración.

Resistencia Eléctrica (R)

Es la oposición que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. Se debe a las colisiones de los portadores de carga (electrones) con los átomos o imperfecciones de la red cristalina del material conductor.

Factores que Afectan la Resistencia

• Longitud (L) del conductor: Directamente proporcional (a mayor longitud, mayor resistencia).
• Área (A) de la sección transversal: Inversamente proporcional (a mayor área, menor resistencia).
• Naturaleza del material (Resistividad): Propiedad intrínseca de cada material.
• Temperatura: En la mayoría de los metales, la resistencia aumenta con la temperatura.

Resistividad (ρ)

Es una propiedad intrínseca de cada material que cuantifica su oposición al flujo de corriente eléctrica. La resistencia (R) de un conductor se calcula como:

R = ρ * (L / A)

Su unidad en el SI es el Ohmio por metro (Ω·m).

Conductancia (G)

Es la facilidad que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica. Es la inversa de la resistencia.

G = 1 / R

Su unidad en el SI es el Siemens (S).

Potencia Eléctrica (P)

Es la rapidez con la que la energía eléctrica se transforma en otra forma de energía (calor, luz, trabajo mecánico) en un componente de un circuito. Se mide en Vatios (Watts, W).

P = V * I = I² * R = V² / R

Efecto Joule

Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor con resistencia, parte de la energía eléctrica se disipa en forma de calor. La energía (E) disipada en un tiempo (t) es:

E = P * t = I² * R * t

Este efecto es la base del funcionamiento de estufas eléctricas, bombillas incandescentes, fusibles, etc.