Principios Fundamentales de la Hidrostática: Presión y Fluidos

1- ¿Qué es un fluido?

Un fluido es una fase de la materia que se caracteriza por su capacidad de deformarse continuamente bajo la aplicación de una fuerza tangencial, por mínima que sea. Carecen de forma fija y generalmente no presentan rigidez ni elasticidad. Los líquidos y los gases son ejemplos de fluidos.

Por ejemplo, un líquido adopta la forma de su contenedor, pero al igual que un sólido, no es fácilmente compresible y su volumen solo cambia significativamente bajo la acción de fuerzas muy grandes. Los gases, por otro lado, no tienen forma ni volumen fijos y se expanden para llenar el espacio disponible en su contenedor.

2- Si nos sumergimos en agua, ¿sentiremos la misma cantidad de presión en los oídos si inclinamos la cabeza?

La presión en un fluido en reposo no depende del volumen del líquido, sino de la profundidad. Sentimos la misma presión al sumergir la cabeza un metro bajo el agua en un estanque pequeño que en un lago extenso.

En cualquier punto de un fluido en reposo, la presión es la misma en todas las direcciones a una profundidad dada. Por lo tanto, si nos sumergimos en agua, la presión en nuestros oídos será la misma independientemente de la inclinación de nuestra cabeza. La presión en los líquidos no solo actúa hacia abajo, sino en todas las direcciones. Esto se puede observar al ver cómo sale el líquido de un recipiente vertical con un agujero en su costado.

3- Sabemos que la fuerza debida a la presión de un fluido en reposo siempre actúa de forma perpendicular a cualquier superficie sólida con la que esté en contacto. ¿Qué ocurriría si hubiese una componente de la fuerza paralela a la superficie?

Si existiera una componente de la fuerza paralela a la superficie, según la tercera Ley de Newton (que establece que a cada acción siempre se opone una reacción igual y opuesta), la superficie sólida ejercería una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el fluido. Esta fuerza también tendría una componente paralela a la superficie, lo que provocaría el movimiento del fluido en respuesta a ella.

4- Suponga que dos peces se encuentran en los vasos comunicantes que se muestran en la figura. Describa detalladamente qué ocurre con la presión sobre ellos conforme se mueven a través de los distintos vasos comunicantes.

Los vasos comunicantes se utilizan para demostrar que la presión hidrostática depende únicamente de la altura del fluido. Asumiendo que el líquido en los vasos comunicantes es el mismo, y que está en reposo, este alcanzará el mismo nivel en todos los recipientes, independientemente de su forma o volumen.

Si los peces se mueven, el líquido se desplazará hasta encontrar un nuevo equilibrio, manteniendo el mismo nivel en todos los vasos. Esto se debe a que la presión atmosférica y la gravedad son constantes en cada recipiente. Por lo tanto, la presión hidrostática a una profundidad dada será la misma, sin importar la geometría del recipiente ni el líquido que contiene.

5- Los tres contenedores de la figura están llenos con agua a la misma altura y tienen la misma área superficial en la base, por tanto, la presión del agua, y la fuerza total sobre la base de cada uno, es la misma. Aunque el peso total del agua es diferente para cada uno. Explique esta “paradoja hidrostática”.

Como se demuestra en la ecuación fundamental de la hidrostática, la presión solo depende de la profundidad por debajo de la superficie del líquido y es independiente de la forma del recipiente que lo contiene. Dado que la altura del líquido es la misma en los tres recipientes, la presión en la base es idéntica en cada uno, y el sistema se encuentra en equilibrio.

Es importante tener en cuenta que la fuerza que ejerce un fluido en equilibrio sobre una superficie debido a la presión es siempre perpendicular a dicha superficie. La diferencia en el peso total del agua en cada recipiente se debe a la diferencia en sus volúmenes, pero esto no afecta la presión en la base, ya que esta solo depende de la altura del líquido.