¿Por qué vuelan los aviones?
PROCESOS
Mecánica de Fluidos
La mecánica de fluidos es la rama de la física que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan, aplicando los principios fundamentales de la mecánica general. También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita y su hipótesis fundamental en la que se basa es la hipótesis del medio continuo que es aquella que considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta.
Presión Atmosférica
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 está 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 está 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 país, ni en la diferente época del año.
Presión Hidráulica
Un sólido es un cuerpo rígido y puede soportar que se le aplique fuerza sin que cambie sensiblemente su forma, un líquido solo puede soportar que se le aplique fuerza en una superficie o frontera cerrada si el fluido no esta restringido en su movimiento, empezará a fluir bajo el efecto del esfuerzo cortante en lugar de deformarse elásticamente.
La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene actúa siempre en forma perpendicular a las paredes.
Presión Superficial
Fuerza que se le hace a una superficie perpendicularmente
1 Pascal = N/m2 1 Ba = D/cm2
Brocheta de globo: La mejor forma de aprender, es realizando experimentos. Uno de los más divertidos es el de hacer una brocheta de globo, atravesándolo con un pincho de madera, en el cual aprenderás la relación de la tensión superficial y la presión.
Principio de Arquímedes
El principio de Arquímedes sigue siendo aplicable en todos los casos y se enuncia en muchos textos de Física del siguiente modo:
Cuando un cuerpo está parcialmente o totalmente sumergido en el fluido que le rodea, una fuerza de empuje actúa sobre el cuerpo. Dicha fuerza tiene dirección hacia arriba y su magnitud es igual al peso del fluido que ha sido desalojado por el cuerpo.
¿Cómo determinar el peso de un cuerpo por medio de este principio?
El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; su peso total es exactamente igual al peso del agua que desplaza, y ese agua desplazada ejerce la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.
El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.
La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en la figura:
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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
Densidad Vs Frutas y alcohol: En este experimento aprenderás el principio de Arquímedes utilizando agua, aceite, frutas y alcohol. Si tu objeto es más denso del agua (ropa mojada. piedras) se hunde. Si tu objeto es menos denso (aceite. pelotas. madera) flota
Frutas Vs Densidad: En este video descubrirás la influencia de la densidad sobre la frutas, de acuerdo con la ley de Arquímedes.
¿La fruta flota o no flota?: En este video distinguiremos el efecto de la densidad entre el agua y distintas frutas, aplicando el principio de Arquímedes. ¿Flotarán o no? Todo depende de su densidad, en relación con la densidad del agua.
Plastilina que flota: Dependiendo de desalojamiento del agua, el objeto flotará. Aquí te explicaremos por qué. Primero aplastaremos la bola de plastilina, y luego le haremos una forma cóncava, ¿Cuál de los dos flotara? ¿Por qué?
Principio de Pascal
El principio de Pascal se aplica en la hidrostática para reducir las fuerzas que deben aplicarse en determinados casos. Un ejemplo del Principio de Pascal puede verse en la prensa hidráulica.
La presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante.
La presión en todo el fluido es constante: esta frase que resume de forma tan breve y concisa la ley de Pascal da por supuesto que el fluido está encerrado en algún recipiente, que el fluido es incompresible
Si se aumenta la presión sobre la superficie libre, por ejemplo, la presión total en el fondo ha de aumentar en la misma medida, ya que el término ρgh no varía al no hacerlo la presión total (obviamente si el fluido fuera compresible, la densidad del fluido respondería a los cambios de presión y el principio de Pascal no podría cumplirse)
La presión ejercida sobre la superficie de un líquido contenido en un recipiente cerrado se transmite a todos los puntos del mismo con la misma intensidad.
¿Por qué el huevo flota?: En el siguiente experimento aprenderemos la relación entre presión, empuje y densidad sobre un huevo. Este experimento es ideal para sorprender a tus amigos, a tus compañeros del colegio o hasta tu profesora, si es que acaso aún no lo conocen. Con unos pocos y muy básicos materiales podrás hacer flotar un huevo dentro de un vaso de agua y explicarlo en unas pocas palabras con el principio de Arquímedes.
Truco de las copas y la carta: Para realizar nuestro experimento necesitamos un par de copas pequeñas, agua, aceite y una carta de una baraja de cartas. Una forma muy curiosa de trasvasar líquidos.
Tubos comunicantes: El objetivo de este experimento es explicar la ley de los vasos comunicantes por medio de estos tubos de vidrio. El principio de los vasos comunicantes se explica de la siguiente manera: si se toman dos puntos A y B situados al mismo nivel, las presiones hidrostáticas que tienen son las mismas. Entonces, si la presión en el punto A es la misma que en el punto B, las alturas de los dos puntos deben ser iguales.
Vasos comunicantes (usando una servilleta o limpiador de cocina): Utilizaremos el principio de Pascal para realizar este experimento. Sencillo de realizar, aunque toma mucho tiempo. Recuerda que aplica el mismo principio de los vasos comunicantes, en anteriores experiencias.
Experimento de los vasos comunicantes: Los vasos comunicantes son un conjunto de recipientes que están comunicados entre sí por un conducto común, situado en su parte inferior. El experimento consiste en, que al vertir un fluido homogéneo en los vasos comunicantes, el fluido alcanza la misma altura en todos los tubos, independientemente de la forma y de la sección que tengan. Se relaciona profundamente con el principio de Pascal, explicándolo en su totalidad.
¿Cómo funciona una prensa hidráulica?
La prensa hidráulica es una máquina compleja semejante a un camión de Arquímedes, que permite amplificar la intensidad de las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos de maquinaria industrial. La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado.
Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección A1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma (casi) instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce el fluido en la sección A2, es decir:
Tensión Superficial
Las moléculas de un líquido se atraen entre sí, de ahí que el líquido 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 atraídas hacia el interior de éste. Para algunos efectos, esta película 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.
El agua que se resiste a caer: Para realizar nuestro experimento necesitamos una botella, una bolsa de plástico, agua, una tapadera de un frasco y una goma elástica. En ella aprenderás el concepto de la tensión superficial.
Tuercas Vs Botella de agua: Al igual que los demás experimentos, aplicaremos el concepto de la tensión superficial en este experimento. Veremos si se rompe con la presencia de tuercas dentro de la botella.
Capilaridad
La capilaridad es una propiedad de los fluidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.
Un aparato comúnmente empleado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar; cuando la parte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como el agua, se forma un menisco cóncavo; la tensión superficial succiona la columna líquida hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza de la gravedad se equilibre con las fuerzas intermoleculares.
Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.
El agua que sube con la vela: No es un desafío contra la ley de la gravedad el hecho de hacer subir el agua, pero si necesitarás algunas herramientas y un poco de ayuda de la ciencia. Aquí encontrarás cómo hacerlo.
¿Por qué vuelan los aviones?
Existen miles de tecnologías en el mundo que, hoy por hoy, tomamos como naturales, por el hecho de que hemos nacido (o vivido gran parte de nuestras vidas) sabiendo que existen.
En esta oportunidad, nos planteamos la pregunta, ¿por qué vuelan los aviones? ¿Alguna vez te has hecho esta pregunta? ¿Cómo puede ser que estas máquinas inmensas, que pesan toneladas puedan surcar los aires? Los aviones son cosa totalmente cotidiana en los tiempos que corren. Pero, ¿todos sabemos cómo funcionan?
LA LEY GRAVITATORIA TERRESTRE
La respuesta a esta pregunta, como a muchas otras, está en la física. En general, las grandes maquinarias que pueden realizar tareas complejas fundamentan su existencia en principios de la física. No es un motor poderoso el que hace que un avión vuele. Bueno, sí, la herramienta es un motor poderoso, pero no es lo que hace que volar sea posible.
Para lograr mantenerse en el aire hay que vencer la fuerza de gravedad. Otra fuerza completamente cotidiana cuya existencia damos por sentada, porque no hemos conocido la vida sin ella. Pero lograr vencerla sí es una tarea titánica y cientos de experimentos aeronáuticos han fracasado de formas espectaculares intentándolo.
ENTONCES, ¿POR QUÉ VUELAN LOS AVIONES?
Como era de esperarse, el principio que hace posible el vuelo de un avión es el mismo que hace posible el vuelo de las aves. Se llama "principio de sustentación". ¿En qué consiste el principio de sustentación?
El principio de sustentación, también llamado principio de Bernoulli, por su descubridor Daniel Bernoulli nos dice que "la presión ejercida por un fluido es inversamente proporcional a su velocidad de flujo."
¿Por qué? Porque se puede comprobar experimentalmente que la energía total de un sistema de fluidos de flujo uniforme (como por ejemplo, el aire) se mantiene constante a lo largo de la trayectoria que recorre el sistema.
¿EN QUÉ CONSISTE UN DISEÑO AERODINÁMICO?
El diseño aerodinámico del avión utiliza esta ley para superar la fuerza de gravedad. Considerando el hecho de que el aire es un fluido y estamos todos inmersos en él, debemos tener en cuenta que éste ejerce una presión sobre nosotros, y sobre todo objeto con el que tiene contacto.
Las alas del avión están diseñadas de modo de generar una diferencia de velocidades entre el aire que está por debajo del ala del avión (cara inferior, llamada intradós) y el que circula por su cara superior (llamada extradós).
El extradós tiene una forma abultada y el intradós es plano. Entonces, siguiendo el principio de Bernoulli, el aire que circula por encima del ala, como tiene que recorrer una trayectoria más larga, va a una velocidad alta y ejerce una presión baja sobre el ala.
Por el contrario, el aire que circula bajo el ala, o intradós, va más lento porque realiza el camino más corto y ejerce una presión mayor sobre el ala, proporcionando la fuerza de sustento que lo empuja hacia arriba. Es decir, en contra de la fuerza de gravedad.
Y eso es todo. La magia de la física en acción. A continuación te dejo un video en el que encontrarás una explicación bastante más gráfica de cómo y por qué vuelan los aviones.
PROBLEMAS RESUELTOS MECÁNICA DE FLUIDOS
1) Un esquiador que pesa 800 N participa en una competición y se desliza sobre la nieve con unos esquís de 1200 cm2 de superficie cada uno. Que presión ejerce sobre la nieve?
2) Calcula la diferencia de presión que hay entre dos puntos A y B, en el interior de un liquido, la densidad del cual es de 1500 Kgr/m3 , si ambos puntos están respectivamente, a 10 cms y 30 cms por debajo de la superficie libre del liquido.
3) Que fuerza soporta un autobús sumergido en el mar a 8 metros de profundidad, suponiendo que la superficie del autobús es de 150 dm2 y que la densidad del agua del mar en ese lugar es de 1030 Kgr/m3
4) ¿Qué altura ha de tener una columna de alcohol (densidad = 800 Kgr/m3 ) para ejercer la misma presión que una columna de mercurio (ρ = 13600 Kgr/m3 ) de 10 cms de altura?
5) Necesitamos un elevador hidráulico para levantar una camioneta que pesa 20000 N: La sección del embolo mas pequeño es de 10 cm2 y la del embolo mas grande de 140 cm2. Que fuerza tendremos que aplicar sobre el embolo pequeño?
Principio de Bernoulli
El fluido hidráulico en un sistema contiene energía en dos formas: energía cinética en virtud del peso y de la velocidad y energía potencial en forma de presión. Daniel Bernoulli, un científico Suizo demostró que en un sistema con flujos constantes, la energía es transformada cada vez que se modifica el área transversal del tubo.
El principio de Bernoulli dice que la suma de energías 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 energía cinética aumenta o disminuye. En tanto, la energía no puede ser creada ni tampoco destruida. Enseguida, el cambio en la energía 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.
Teorema de Bernoulli
El teorema de Bernoulli aplicado a dos secciones de una tubería que transporta un fluido, traduce en términos analíticos el principio de la conservación de la energía.
La ecuación permite constatar que la variación de energía (pérdida) sucedida aguas arriba o aguas abajo de la tubería, es debida a la variación de presión.
Principio fundamental de la Hidrostática
El principio fundamental de la hidrostática traduce el comportamiento de fluidos en reposo cuando son sujetos a la acción del campo de gravedad terrestre.
Por medio del Principio de Arquímedes, descubriremos el efecto del empuje, el peso y la densidad influyen en estos 3 huevos
Principio de Bernoulli: En este vídeo podras encontrar la explicación de por que vuelan los aviones, por que las chimeneas son tan altas y por que un carro de formula uno no vuela. Todo esto gracias al principio de Bernoulli por medio de unos faciles experimentos caseros.