Fundamentos de la Mecánica de Fluidos en Reposo
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Hidrostática: Estudio de los Fluidos en Reposo
La hidrostática se dedica al estudio de los fluidos que se encuentran en estado de reposo. Un fluido es una sustancia capaz de escurrir fácilmente y de cambiar de forma ante la acción de fuerzas de baja magnitud. Los fluidos pueden ser tanto líquidos como gases.
Presión
La presión (unidad: Pascal, Pa; N/m2) se define como el cociente que resulta al dividir el valor de la fuerza que actúa perpendicularmente sobre una superficie entre el área sobre la cual ejerce su acción. Existe una relación directa entre la fuerza y la presión (a mayor fuerza, mayor presión) y una relación inversa entre el área y la presión (a mayor área, menor presión).
Presión Atmosférica
La presión atmosférica es la acción ejercida por el peso de la atmósfera sobre la superficie terrestre. Este fenómeno fue demostrado por el físico italiano Evangelista Torricelli. Se establece que 1 atm = 76 cmHg = 760 mm Hg = 1,01 x 105 Pa.
Equipos de Medición de Presión
- Barómetro
- Manómetro
Variables que Afectan la Presión Atmosférica
- Altura: A mayor altura, menor es la presión atmosférica.
- Estado del Tiempo: Las condiciones climáticas pueden alterar la presión atmosférica.
Características de Gases y Líquidos
- Gas: Sus moléculas vibran al azar y son compresibles.
- Líquido: Adoptan la forma del recipiente que los contiene, y sus moléculas vibran estando separadas.
Densidad
La densidad se calcula como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Sus unidades comunes son kg/m3 y g/cm3.
Variables que Afectan la Densidad
- Manipulación de la masa o el volumen.
- La temperatura afecta la densidad de líquidos y gases.
- La presión afecta principalmente la densidad de los gases.
Cualquier cuerpo sumergido en un fluido experimenta una presión que aumenta con la profundidad.
Principio de Pascal
El Principio de Pascal establece que la presión ejercida en un fluido encerrado y en reposo se transmite uniformemente a través de todo el fluido.
Aplicaciones del Principio de Pascal
- Prensa Hidráulica
- Elevador de Autos
- Sistema de Frenos Hidráulicos
Principio de Arquímedes
El Principio de Arquímedes postula que todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del líquido que dicho cuerpo desaloja.
Volumen Desalojado
El volumen desalojado es el volumen del cuerpo que se encuentra sumergido en el fluido. Si un cuerpo está completamente sumergido, su volumen total es igual al volumen desalojado. Si está parcialmente sumergido, solo la parte del volumen que está bajo el nivel del fluido corresponde al volumen desalojado.
Flotación de un Barco
Un barco flota porque la fuerza de empuje que recibe es igual a su peso. El volumen de agua desalojada es equivalente a la parte del volumen del barco que está sumergida.
Principio de Arquímedes en Gases
Un globo puede ascender porque experimenta una fuerza de empuje vertical. Esto ocurre cuando su densidad media es menor que la densidad del aire circundante, lo cual se logra, por ejemplo, calentando el gas dentro del globo.
Masa Aparente y Peso Aparente
Al sumergir un cuerpo en un líquido, este parece tener menor peso y masa. Esto se debe a la fuerza de empuje que contrarresta parcialmente el peso real del objeto.
Ley de Boyle
La Ley de Boyle describe el comportamiento de los gases. Establece que, en un proceso isotérmico (temperatura constante), el producto de la presión inicial por el volumen inicial de un gas es igual al producto de la presión final por el volumen final. En resumen: a mayor presión, menor volumen, y viceversa.