MECANICA DE FLUIDOS.
MECANICA DE FLUIDOS.
La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos, rama de la fÃsica a su vez, que estudia el movimiento de los fluidos (gases y lÃquidos) asà como las fuerzasque lo provocan. La caracterÃstica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita.
La elevación hidráulica de los automóviles, es un ejemplo de una fuerza multiplicada por la presión hidráulica, basada sobre el principio de Pascal. El fluido en un cilindro pequeño, se debe mover mucha mas distancia que la distancia de elevación del coche.
P Hidraulica= D .h .g
D: densidad
h: altura
g: gravedad
La prensa hidráulica es una aplicación de principio de Pascal. La presión de un lÃquido se transmite a todos los puntos del mismo y a las paredes del recipiente que los contiene. De acuerdo con el principio de Pascal, de esta presión se transmite al otro émbolo con lamisma intensidad, por lo que éste debe subir. Para que los émbolos mantengan la misma posición, ambos deben ejercer la misma presión sobre el lÃquido.
Presión Superficial.
Presión Atmosferica.
Principio de Arquimedes.
¿QUE ES?.
La Presión atmosférica es el peso que ejerce el aire de la atmósfera como consecuencia de la gravedad sobre la superficie terrestre o sobre una de sus capas de aire.
Como se sabe, el planeta tierra esta formado por una presión sólida (las tierras), una presión liquida (las aguas) y una gaseosa (la atmósfera).
La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve todo el planeta y esta formado por mezcla de gases que en conjuntos llamamos aire, como todos los cuerpos, tiene peso, el cual ejerce una fuerza sobre la superficie terrestre es lo que llamamos presión atmosférica.
La presión atmosférica varia, no siempre es igual en los diferentes lugares de nuestro planeta y nuestro paÃs, ni en la diferente época del año
¿COMO SE MIDE?.
Para medir la presión consta con la ayuda de un aparato llamado Barómetro, que inventado por el fÃsico Italiano llamado Evangelista Torricelli en el año 1643. En meteorologÃa se usa como unidad de medida de la presión atmosférica el Héctor Pascal (HPA). La presión normal sobre el nivel del mar son 1013,2 HPA.
Para medir la presión atmosférica, se usa el barómetro. En meteorologÃa se usa como unidad de medida de presión atmosférica el hectopascal (hPa). La presión normal sobre el nivel del mar son 1013,2 hPa.
Principio de la capiralidad.
La tensión superficial se define en general como la fuerza que hace la superficie (la "goma" que se menciona antes") dividida por la longitud del borde de esa superficie (dividida por la longitud del perÃmetro de esa superficie).
Las moléculas de un lÃquido se atraen entre sÃ, de ahà que el lÃquido esté "cohesionado". Cuando hay una superficie, las moléculas que están justo debajo de la superficie sienten fuerzas hacia los lados, horizontalmente, y hacia abajo, pero no hacia arriba, porque no hay moléculas encima de la superficie. El resultado es que las moléculas que se encuentran en la superficie son atraÃdas hacia el interior de éste. Para algunos efectos, esta pelÃcula de moléculas superficiales se comporta en forma similar a una membrana elástica tirante (la goma de un globo, por ejemplo). De este modo, es la tensión superficial la que cierra una gota y es capaz de sostenerla contra la gravedad mientras cuelga desde un gotario. Ella explica también la formación de burbujas.
La siguiente figura muestra un ejemplo de cómo algunos animales utilizan la tensión superficial del agua. En la figura se observa un arácnido, fotografiado mientras camina sobre el agua. Se observa que el peso del arácnido está distribuido entre sus ocho patas y el abdomen, por lo que la fuerza de sustentación que debe proveer la superficie del agua (la tensión superficial) sobre las ocho patas y el abdomen debe ser igual al peso del arácnido.
La capilaridad es una propiedad fÃsica del agua por la que ella puede avanzar a través de un canal minúsculo (desde unos milÃmetros hasta micras de tamaño) siempre y cuando el agua se encuentre en contacto con ambas paredes de este canal y estas paredes se encuentren suficientemente juntas.
Esta propiedad la conocemos todos pues es perfectamente visible cuando ponemos en contacto un terrón de azúcar con el café. El agua del café "invade" en pocos segundos los pequeños espacios de aire que quedan entre los minúsculos cristales de sacarosa del azucarillo.
La presión se transmite sin disminución en un fluido estático cerrado.
El pricinpio de pascal es visto con mayor presición en la prensa hudraulica.
Densidad.
Cualquier presión externa aplicada, se transmite a todas las partes del fluido cerrado, haciendo posible una gran multiplicación de la fuerza (principio de la prensión hidráulica). La presión en la parte inferior del recipiente es igual a la presión externa aplicada en la parte superior del lÃquido, más la presión estática del fluido derivada del peso del lÃquido.
Presión Hidraulica.
PRINCIPIO DE PASCAL.
VASOS COMUNICANTES.
En fÃsica, por ejemplo, de acuerdo a la Ley Hidrostática de los Vasos Comunicantes (VC), los VC son un sistema compuesto por dos o más recipientes en donde uno con mayor nivel de lÃquido que el otro, se unen a través de un tubo hueco generando un desplazamiento de agua desde el que contiene más lÃquido hacia el que contiene menos hasta igualarse los niveles. Esto es generado por estar sometidos ambos recipientes a igual presión atmosférica.
El mismo modo, si tenemos dos recipientes conteniendo una solución liquida, con iguales niveles o volúmenes pero con diferentes grados de concentración, y los unimos a través del mismo tubo lÃquido, se generará un flujo de lÃquido desde el recipiente con mayor concentración hacia el de menor concentración hasta igualarse las concentraciones. Un proceso similar a los relacionados al concepto de presión osmótica y teorÃa cinética de los gases.
La densidad es una medida utilizada por la fÃsica y la quÃmica para determinar la cantidad de masa contenida en un determinado volumen.
La fórmula de la densidad, masa / volumen, se puede aplicar para cualquier sustancia, no obstante ésta debe ser homogénea. Pues en sustancias heterogéneas la densidad va a ser distinta en diferentes partes.
EXPERIENCIA: Se determino por el Principio de ArquÃmedes como influye la densidad en el empuje de los liquidos.
Experiecia: Una forma de traspasar los lÃquidos
Experiencia: Vasos comunicantes.
Experiencia: ¿Por que el agua no cae?.
Experiencia: ¿Porque no cae el agua?. (Tuercas).
El principio de ArquÃmedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.
Experiencia: ¿ Cómo subir el agua con una vela?.
PROCESOS
EJERCICIOS SOBRE MECANICA DE FLUIDOS.
¿Por qué flotan los barcos ?.
Resulta curioso preguntarse como pueden flotar los inmensos barcos de acero en el agua. Bueno, la respuesta esta en el Principio de ArquÃmedes. Este dice que todo objeto sumergido en un fluido (lÃquidos o gases) experimentara una fuerza de empuje (hacia arriba) igual al volumen del liquido desplazado. Este principio explica claramente porque los grandes barcos pueden flotar en el agua: gracias a la gran fuerza de empuje debido al gran volumen que desplazan de agua.
Aun asÃ, El diseño del barco es muy importante. El volumen representa el espacio de un objeto. A mayor volumen, mayor será el agua desplaza, y por lo tanto, mayo será el empuje que ésta realice. Si se sumerge un cubo de acero de 1 Kg en el agua, este se hundirÃa, dado que la fuerza de empuje es insuficiente para mantenerlo a flote. Pero si a la misma cantidad de acero se moldea para formar una figura mas larga, desplazara mayor cantidad de agua, tendrá mayor empuje de esta, y por lo tanto flotará. A la hora de diseñar un barco se debe tener en cuenta que el peso del mismo sea igual al volumen de agua desplazado. Si su peso fuese mayor que el del volumen que desplazan, la fuerza de empuje recibida seria insuficiente para mantenerlos a flote.
El conocimiento de este principio fÃsico es primordial a la hora de construir un barco, dado que es lo que permite su principal funcionamiento, el de flotar en el agua.
Expreciencia: Como hacer que un submarino flote o se hunda.
Teorema de Bernoulli
El teorema de Bernoulli aplicado a dos secciones de una tuberÃa que transporta un fluido, traduce en términos analÃticos el principio de la conservación de la energÃa.
La ecuación permite constatar que la variación de energÃa (pérdida) sucedida aguas arriba o aguas abajo de la tuberÃa, es debida a la variación de presión.
El principio de Bernoulli dice que la suma de energÃas potencial y cinética, en los varios puntos del sistema, es constante, si el flujo sea constante. Cuando el diámetro de un tubo se modifica, la velocidad también se modifica.
La energÃa cinética aumenta o disminuye. En tanto, la energÃa no puede ser creada ni tampoco destruida. Enseguida, el cambio en la energÃa cinética necesita ser compensado por la reducción o aumento de la presión.
El uso de un venturi en el carburador de un automóvil es un ejemplo del principio de Bernoulli. En el pasaje de aire a través de la restricción la presión se disminuye. Esa reducción de presión permite que la gasolina fluya, se vaporice y se mezcle con el aire.
Principio de Bernoulli.
La explicación del principio de ArquÃmedes consta de dos partes como se indica en la figuras:
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El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
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La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.
Consideremos, en primer lugar, las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a p·dS, donde p solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie. Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje.
De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto, se cumple
Empuje=peso=rf·gV
El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido rf por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.