FÍSICA GENERAL DE FLUIDOS : FLUIDOS

¿QUE ES UN FLUIDO?

Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por fuerzas cohesivas débiles y las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propios. Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).

Las propiedades de un fluido son las que definen el comportamiento y características del mismo tanto en reposo como en movimiento.

DENSIDAD: Es la cantidad de masa por unidades de volumen de una sustancia; lo que quiere decir que entre mas masa tenga un cuerpo en un mismo volumen, mayor será su densidad.

Se utiliza la letra griega (rho) ρ

formula de la densidad ρ = m/v ( donde m es la masa y v es el volumen)

unidades es kilogramo por metro cúbico (kg/m³). gramo por centímetro cúbico (g/cm³).

PRESIÓN: cuando se sumerge un cuerpo en un fluido como el agua, el fluido ejerce una fuerza perpendicular a la superficie del cuerpo en cada punto de la superficie, esto es debido al choque de las moléculas del fluido con las paredes del cuerpo (y también del recipiente).Esta fuerza por unidad de área se llama Presión

se utiliza la letra P (presión)
formula de la presión

Presión entre cuerpos sólidos P = F/A (donde F es la fuerza “masa * gravedad” y a el área de cuerpo)

Presión entre líquidos P = ρ*g*h (donde ρ es la densidad del liquido, g la gravedad y h la altura.) Gravedad 9.8 m/s2 o 980 cm/s2

EMPUJE: es una fuerza que aparece cuando se sumerge un cuerpo en un fluido. El módulo de ésta viene dado por el peso del volumen del fluido desalojado.

Se produce debido a que la presión de cualquier fluido en un punto determinado depende principalmente de la profundidad en que éste se encuentre (en otras palabras, a la cantidad de fluido que tenga encima).

Esta presión ejerce una fuerza sobre cualquier cuerpo sumergido en el fluido y tiene la propiedad ser perpendicular a la superficie del cuerpo.

formula de empuje

Empuje 1 E = ρf * V/2 *g

Empuje 2 E = ρf` * V *g

(Donde ρf es la densidad del fluido, V es el volumen y g la gravedad)

ESTABILIDAD: se dice que el flujo es estable cuando sus partículas siguen una trayectoria uniforme, es decir, nunca se cruza entre sí. La velocidad en cualquier punto se mantiene constante el tiempo.

TURBULENCIA: debido a la rapidez en que se desplaza las moléculas el fluido se vuelve turbulento; un flujo irregular es caracterizado por pequeñas regiones similares a torbellinos.

VISCOSIDAD: es una propiedad de los fluidos que se refiera el grado de fricción interna; se asocia con la resistencia que presentan dos capas adyacentes moviéndose dentro del fluido. Debido a esta propiedad parte de la energía cinética del fluido se convierte en energía interna.

DENSIDAD: es la relación entre la masa y el volumen que ocupa, es decir la masa de unidad de volumen.

VOLUMEN ESPECÍFICO: es el volumen que ocupa un fluido por unidad de peso.

PESO ESPECÍFICO: corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen.

GRAVEDAD ESPECÍFICA: indica la densidad de un fluido respecto a la densidad del agua a temperatura estándar. Esta propiedad es dimensional.

TENSIÓN SUPERFICIAL: En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área.

TEMAS RELACIONADOS CON FLUIDOS

HIDROSTATICA: La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica, que estudia los fluidos en estado de equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

PRINCIPIO DE PASCAL: En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: “el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo”. Es decir que si en el interior de un líquido se origina una presión, estas se transmiten con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. En el sistema internacional, la unidad de presión es 1 Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por 1 newton sobre la superficie de 1 metro cuadrado.

PRESIÓN HIDROSTÁTICA: Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión

EJEMPLOS RESUELTOS DE FLUIDOS

Calcula la presión que soporta un submarino que navega a 150 m de profundidad si la densidad del agua es 1030 kg/ m3

Solución: P = 1,51106 Pa

Calcula la fuerza que ejerce el agua sobre los cristales de las gafas, de superficie 40 cm2 , de un submarinista que bucea a 17 m de profundidad si la densidad del agua es 1,02 g/cc.

Solución: F= 680,4 N

Calcula la presión media sobre las compuertas de un embalse si el agua en ellas tiene una profundidad de 40 m. Nota: Recuerda que la presión arriba es cero y abajo es la máxima. El embalse contiene agua dulce: densidad = 1000 kg/m3 .

Solución: Pm = 196.200 Pa

Un cubo de aluminio de 3 cm de arista y densidad 2,7 g/cm3 se sumerge en agua de densidad 1 g/cm3 . a) ¿Qué masa tiene el cubo? b) ¿Qué volumen desaloja? c) ¿Qué masa de agua desaloja? d) ¿Cuánto pesa el agua desalojada?

Solución: a) 0,0729 kg; b) 27 cm3 ; c) 27 g; d) 0,265 N

Un cuerpo de masa 90 g y volumen 120 cm3 flota en el agua (d= 1 g/cm3 ). Calcula: a) Peso del cuerpo. b) Volumen sumergido. c) Empuje. d) % del volumen sumergido.

Solución: a) 0,883 N; b) 90 cm3 ; d) 75%

Un cuerpo de masa 240 g y volumen 120 cm3 se deposita en el agua (d= 1 g/cm3 ). Calcula: a) La densidad del cuerpo. b) El volumen sumergido. c) El empuje. d) El peso aparente.

Solución: a) 2000 kg/m3 ; b) 120 cm3 ; c) 1,175 N; d) 1,175 N

Un globo, de volumen 300 m3 , contiene hidrógeno de densidad 0,09 g/dm3 y asciende en una masa de aire de densidad 1,29 kg/m3 . La masa de todos sus componentes menos el gas es de 80 kg. Calcula: a) Peso total del globo (gas+materiales). b) La fuerza neta de ascensión (empuje – peso).

Solución: a) masa total =107 kg y peso 1049 N; b) 2.747,5 N

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

¿Qué presión ejercerá sobre el suelo un bloque cúbico de piedra de 0,5 m de arista que pesa una tonelada? Nota: Volumen = aaa; Superficie = aa

Sobre un pistón de superficie 5 cm2 que comprime agua se deposita una masa de 10 kg. ¿Qué presión soporta el agua?.

¿Qué presión soporta un submarino que navega a 200 m de profundidad en unas aguas de densidad 1,02 g/cm3 ?. Usa g= 9,81 ms-2

¿En cuánto disminuirá la presión que soporta un submarinista que bucea a 12 m de profundidad cuando entra en el fondo de una cueva marina cuya altura es 4 m?.

El cristal de un batiscafo tiene una sección de 300 cm2 . ¿Qué fuerza debe soportar para poder descender hasta los 3 km? Nota: Densidad del agua del mar 1030 kg/m3 . Toma como valor de g = 9,81 ms-2 7. S

Dos bolas A y B de 12 g de masa y densidades A = 2 g/cm3 y B = 3 g/cm3 se sumergen en agua. ¿Qué empuje recibirá cada una?.

Un cuerpo de masa 40 g y volumen 160 cm3 flota en agua dulce (d = 1 g/cm3 ). Calcula: a) Peso del cuerpo. b) volumen sumergido. c) Peso del agua desalojada. d) Empuje. e) % del volumen sumergido.

Un cuerpo de masa 80 g y densidad 0,5 g/cm3 se deposita en agua (d= 1 g/cm3 ). Calcula: a) El volumen del cuerpo. b) El volumen sumergido c) El empuje. d) El peso aparente.

La columna de mercurio de un barómetro tiene 79 cm de altura y 0,1 cm2 de base. ¿Qué altura tendría si tuviera 0,3 cm2 de base? 12. ¿Qué altura alcanza la columna de mercurio de un barómetro cuando la presión atmosférica es de 1024 mb? Densidad del mercurio 13600 kg/m3.