Cuando ponemos en contacto dos sólidos, éstos ejercen entre sí fuerzas de penetración. Ésta depende de dos parámetros:
- Fuerza(F): Ejercida por los cuerpos, normalmente el peso. La unidad de medida en el sistema internacional es el Newton (N).
- Superfice(S): De la superficie de contacto de los dos cuerpos. La unidad de medida en el sistema internacional es el m2.
p=F/s=[N/m2]=Pa
Aunque la unidad de presión en el S.I. es el Pascal, no es de uso habitual.
Presión en los gases
Los sólidos tienen forma propia, y ocupan un volumen definido ya que las moléculas están fuertemente unidas entre sí. Los gases, no tienen ni forma ni volumen propio, sino que toman la forma y el volumen del recipiente donde están contenidos, debido a que sus moléculas están muy separadas y en continuo movimiento.
La presión se debe a los choques de las moléculas contra la pared del recipiente. Aunque la fuerza ejercida por una molécula es pequeña, el número de choques en una determinada área es grande. Además, las moléculas se mueven en todas direcciones, ejerciendo la misma presión en todas partes del recipiente.
Otra de las características importantes de los gases es su compresibilidad, que permite su reducción de volumen. Cuando reducimos el volumen, aumentamos los choques, y por lo tanto la presión sobre las paredes del recipiente.
El aire comprimido, tiene un comportamiento elástico (acumula energía). En cuanto cesa la acción que provoca la compresión, éste intenta recuperar su volumen inicial (expandirse).
Un gas no tiene ni forma, ni volumen propio.
Presión hidrostática I
Los líquidos no tienen forma pero sí volumen propio.
Vamos a estudiar el caso, en que no existe ninguna solicitación (fuerza) externa sobre el fluido. Se puede comprobar que la presión en un punto cualquiera del fluido depende de tres factores:
- De la gravedad (g): Medida en m/s2
- De la densidad del fluido (d): Medida en kg/m3
- De la altura (h): Medida en m.
p=d.g.h=[Pa]=[N/m2]
Esta presión es perpendicular a las paredes del recipiente, e igual en cualquier punto a una misma altura.La presión hidrostática en un punto del interior de un líquido es directamente proporcional a la densidad del fluido, d, a la profundidad, h, y a la gravedad del lugar, g.
Presión hidrostática II
Vamos a considerar ahora el caso de un fluido sometido a la acción de una fuerza externa (F). Supongamos, como en la animación de la derecha, que tenemos un depósito cubierto con una tapa de peso (P). La tapa tiene una sección s.
Se puede demostrar que, en esta situación, la presión en cualquier punto del fluido es la misma y de valor:
p= P/s= [Pa]= [N/m2]
Esta característica es la que aprovechamos para hacer transmisiones hidráulicas, como veremos en el siguiente apartado.
La presión p es igual en todos los puntos del fluido.
Principio de Pascal
Como hemos dicho en el apartado anterior, en un fluido sometido a una fuerza externa, la presión es igual en todos sus puntos. Supongamos un fluido, y dos émbolos desplazables, como se puede ver en la figura:
Como esta presión es constante en todo el fluido, la fuerza ejercida sobre el émbolo de mayor tamaño valdrá: F2=p*s2
Sustituyendo: F2=F1*s2/s1 y como sabemos que s2>>S1, entonces F2<F1. Es decir, la fuerza ejercida en el émbolo, es inversamente proporcional a la relación de secciones.
El trabajo W=F*d, se debe mantener por lo que d2>d1.
Éste es el principio de la prensa y el freno hidráulico
Volumen
El volumen es el espacio que ocupa un cuerpo. La unidad de volumen en el sistema internacional es el m3. Existen también otras unidades de uso común, cuyas equivalencias son las mostradas en la tabla:
| m3 | l(dm3) | cm3(cc) | ft3 | |
|---|---|---|---|---|
| m3 | 1 | 103 | 106 | 35,31 |
| l(dm3) | 10-3 | 1 | 103 | 0,04 |
| cm3(cc) | 10-6 | 10-3 | 1 | 3,5*10-5 |
| ft3 | 28,3*10-3 | 28,3 | 28,3*103 | 1 |
Como recordarás, los líquidos son incompresibles (no se puede variar su volumen), pero los gases no. Y, ¿cómo se relacionan presión y volumen? La respuesta la tenemos en la ley de Boyle/Mariotte:
El producto de la presión por el volumen debe mantenerse constante:
P1*V1=P2*V2=cte
De lo anterior se deduce, que presión y el volumen son inversamente proporcionales: si aumenta la presión, disminuye el volumen y viceversa.
Velocidad
La velocidad es el espacio que recorre el fluido por unidad de tiempo; se representa por una v y se mide en m/s. v=[m/s]
Muy unido a la velocidad en los fluidos está otra magnitud denominada caudal, que es la cantidad de fluido que se desplaza por unidad de tiempo. Representamos el caudal con la letra Q y lo medimos en m3/s. Q=[m3/s].
Caudal y velocidad se relacionan: Q=v*s, siendo s la sección en m2/s. Supongamos la tubería de la figura. Como los caudales se tienen que mantener (Q1=Q2), entonces:
v1*s1=v2*s2 por lo que v2= v1*s1/s2. Como s2>> s1, entonces v1>>v2. Esto indica que a mayor sección, menor velocidad, y viceversa.
Pulsa para simular la Esta unidad interactiva requiere la máquina virtual de Java J2RE. en una tubería.
La ley de la continuidad nos dice que un fluido que fluye en una tubería de sección mantiene constante su caudal.
Energía
La energía es la capacidad de un sistema de realizar trabajo. Su unidad en el sistema internacional es el Julio (J), aunque también es de uso común la caloría (cal) o el kWh. La energía que posee un fluido es la suma de tres factores:
- Energía potencial: Debida a la altura a que se encuentre el fluido. Su valor Ep = m*g*h.
- Energía cinética: Debida a la velocidad a que se desplace el fluido. Su valor Ec = 0.5*m*v2.
- Energía Hidrostática: Debida a la presión a la que se encuentra el fluido. Su valor Eh = p*V
En la imagen de la figura, en el tubo hay tres puntos disitintos:
En el punto A la energía será: EA= pA*V +m*g*hA+0.5*m*vA2
Al tener un estrechamiento en B, por lo que va a haber un aumento de velocidad (ley de la continuidad) y, al no haber una disminución de altura, debe haber un descenso de presión.
En el punto B la energía sera: EB= pB*V +m*g*hB=A+0.5*m*vB2
En C, hay una pérdida de altura. Como el tubo tiene la misma sección que en B, para compensar el descenso de altura debe de haber un aumento de velocidad.
En C la energía será: EC= pB=C*V + m*g*hC + 0.5*m*vC2
Evidentemente en la mayoría de las veces vamos a necesitar una bomba como en la fuente de chorro de la figura. En este caso la energía del agua del estanque en el punto A es 0. La bomba va a aportar la energía suficiente en forma de energía cinética en el punto B que posteriormente se transformará en potencial en el punto C.
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