Nuestro planeta está cubierto por una capa de aire que lo abriga en su totalidad ,la atmósfera para los que lo habitamos ,la atmósfera es un enorme océano de aire de aproximadamente 30 km de altitud, longitud de un grosor que corresponde aproximadamente a 2 milésimas del diámetro terrestre .
Aire,y agua ,gas y líquido,estados de la materia que comparten la particularidad de fluir ,razón por lo cual se les conoce como FLUIDOS.
Los fluidos tienen densidad ,una caracteristica propia de la clase de sustancias que los constituye , ejercen presión sobre los cuerpos sumergidos ,en ellos y sobre las paredes de los recipientes , que los contiene ,recipientes de los cuales adoptan la forma .los fluidos reaccionan ante presiones externas transmitiéndola a su interior igual por todos lados ,y sufren transformaciones de densidad ,presión volumen, y temperatura.
El estudio de los fuidos en reposo ( hidrostática ) y de los fluidos en movimiento ( hidrodinámica ) ,nos permite explicar porqué el mar sostiene un barco y el aire de la atmósfera sostiene un avión ,cómo circula la sangre y cuál es el pricipio de las máquinas hidráulicas ,entre otras muchas aplicaciones .
La materia que constituye el universo está hecha se átomos ,particulas diminutas que en su estado
neutro tienen igual número de electrones y protones y ambos con cargas eléctricas opuestas.
Cuando un átomo no es neutro ,se dice que está cargado eléctricamente por que el numero de electrones es diferente al número de protones ; esto es un ION positivo cuando el número de electrones es menor que el número de protones ,y negativo cuando sucede lo contrario
Dos átomos estan unidos cuando comparten electrones , debido a las fuerzas de atracción de ambos núcleos sobre estos electrones,
.La transferencia de electrones entre átomos forma IONES de cargas opuestas que se mantienen unidos por atracción electrica al mismo tiempo ,las fuerzas de repulsión eléctrica entre los eletrones de
átomos contiguos mantienen a los electrones distanciados entre ellos.
Si las interacciones entre los diferentes tipos de átomos que se juntan,son suficientemente fuertes,el grupo de átomos mantiene su forma y tamaño fijos a pesar de la aplicaión sobre ellos de grandes fuerzas externas.
Mantener su forma y volumen es lo que caracteriza a los cuerpos sólidos .los sólidos no cambian con facilidad de forma ni de volumen ,las fuerzas de enlace son más débiles en los liquidos que en los solidos.. por lo cuál.Los líquidos pueden fluir y alojarse en cualquier recipiente ,adoptando la forma del mismo y manteniendo su volumen constante.,igual que los sólidos ,los líquidos requieren en fuerzas muy grandes para cambiar su volumen ; esto hace a ambos ,en la práctica incomprensible ,si las fuerzas de enlace son aun más débiles que en los líquidos,
la materia es un gas ; en un gas los átomos o las moléculas se dispersan con mucha facilidad ,lo cual les permite fluir y alojarse en un recipiente del cual adoptan la forma y el volumen.
El gas se aloja en el recipiente que lo contiene ,y es fácilmente comprensible ,transferirle más energía a un gas ,de manera que tenga temperaturas más altas cada vez ,hasta lograr temperatura muy elevadas ,hace que los átomos se rompan conformando un gas de iones,electrones libres y núcleos atómicos solos ( ESTE ES EL ESTADO DEL PLASMA )
"Hay plasma en las llamas de un fósforo o un cuerpo incandescente en las luces de neón y lámparas fluorescentes ,en motores de cohetes de plasma y en elsol y las estrellas "
Según la temperatura y presión a las que un material se encuentra ,su estado puede cambiar si le suministramos energía
AGUA.
En forma de hielo está en estado sólido ; si recibe calor,se convierte en agua ,la cual ,al ser calentada hasta lograr su temperatura de ebullición se convierte en vapor de aga,el cuál presenta la forma de un gas,si ese vapor ,que esta formado por moléculas se rompen quedando solos los átomos que las constituían y si se le suministra más energia a esos átomos logrando temperaturas superiores a los 2.000°c estos se rompen en núcleos solos y electrones libres ; tenemos entonces agua ,en estado de plasma.
DENSIDAD.
tres cubos . uno de madera ,plomo ,oro, la diferencia entre estos materiales nos permite abordar un : caracteristica de la materia muy importante ,la densidad.
La densidad de una sustancia ,sea sólida ,liquida o gaseosa ,es una magnitud física que mide la cantidad de masa contenida en un volumen dado ; en términos mas precisos se suele decir : la densidad es la cantidad de masa en cada unidad de volumen.
densidad = masa
-------
volumen.
Simbólicamente ,se suele denotar la densidad con la letra griega minuscula p ( ro ) ; entonces p=m
----
v
La densidad de un material depende de la masa de los átomos del material y de la distancia de separación entre ellos , cuanto mayor sea la masa de los átomos y más juntos estén más denso es el material.
La densidad de una sustancia puede variar si varia su temperatura o la presión sobre ella.
Si un aumento en la temperatura de un material aumenta su volumen , y la masa no varia ,la densidad del material disminuye ,pues la misma cantidad de masa ocupa un volumen mayor.
" si la masa de un cuerpo no varia ,y su volumen aumenta ,su densidad disminuye "
Si un trozo de queso de 1 kg es partido en dos trozos iguales ,la densidad, de cada trozo es la misma densidad del trozo entero ,dado que se trata del mismo queso : cada trozo tiene la mitad del volumen del trozo original ,e igualmente la mitad de la masa.,por eso la densidad no varia.
La densidad es propia del material ,no de la cantidad del mismo.
una pelotita sólida de hierro de 1cm de diámetro tiene igual densidad que una de demolición solida de hierro de 8 cm de diámetro.
PRESIÓN
Hasta ahora hemos demostrado fuerzas aplicadas sobre un punto especifico de un cuerpo ,o de un sistema de cuerpos ,si ,fuerzas aplicadas sobre un cuerpo en un punto que pueden o no acelerarlo ,crean otra fueza de reacción ,hacen trtabajo ,de deforman un resorte puede ser constante o variable .pero ¿ que sucede cuando la fuerza aplicada se distribuye sobre una superficie ?.es en este caso que el concepto de presión adquiere una importancia significativa,,porque ahora ,además de la fuerza aplicada ,se toma en cuenta la superficie sobre la cuál actúa.
La presión se define como,
La fuerza aplicada perpendicularmente sobre una superficie dividida por el área de esa superficie. presión =fuerza perpendicular a la superficie
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área de la superficie.
si ( p ) es la presión ,entonces; p=f I
-----
A
fuerza y presión son conceptos físicos diferentes.
-----cómo una fuerza constante ,aplicada sobre superficies cada vez menores ,produce presiones cada vez mayores
----fuerzas muy pequeñas producen grandes presiones ,cuando el área de la superficie es muy pequeña .
-----es el caso de las agujas ,tarchuelas, clavos .,cuchillos ,sierras, y tijeras,las cuales pinchan y cortan con facilidad porque en las pequeñisimas áreas de sus puntos y filos se produce una enorme presión.
la misma fuerza aplicada sobre superficies de área cada vez menor ,produce presiones cada vez mayores superficies grandes ,como la de las orugas de un tractor , o las llantas muy anchas en los carros y motocicletas ,disminuye la presión cuando estos se desplazan sobre terrrenos fangosos o arenosos, eso le permite maniobrar con facilidad.
Presión en el interior de un líquido presión hidrostática.
considere un líquido en reposo contenido en un recipiente .en un punto cualquiera dentro del líquido ,la presión que ejerce el líquido sobre ese punto es la misma desde todas las direcciones ,y de hecho debe serlo porque sino,el líquido estaria en movimiento , esto es una propiedad muy importante de los líquidos en reposo .Es importante también para un líquido en reposo dentro de un recipiente el hecho de que la fuerza debida a su presión es perpendicular a cualquier superficie que este en contacto con él,ya sea la superficie de un objeto sumergido en él,o la superficie del recipiente que lo contiene,
PRESIÓN ATMOSFÉRICA.
Un cuerpo sumergido en el fondo de un líquido soporta la presión del mismo,perpendicularmente a la superficie del cuerpo e igual en todas direcciones , esta presión se debe al peso del líquido sobre el objeto actuando sobre cada unidad de área.de la misma manera fuera del líquido ,sobre la superficie terrestre ,los cuerpos soportan la presión de esa enorme masa de aire que envuelve la tierra y que conocemos como ATMÓSFERA ,esta presión sobre los cuerpos es también la misma en todas direcciones ,( por arriba,por abajo. y por los costados ) y perpendicular a al superficie de los cuerpos ; se trata de la PRESIÓN ATMÓSFERICA,
"la atmósfera es un fluido más complicado que los líquidos ,debido a la ausencia de una superficie exterior definida a las variaciones de densidad con la altitud y a su relativa facilidad de compresión"
-------cuanto mayor es la altitud ,mayor es el enrarecimiento ( disminución de la densidad ) de la atmósfera,se considera que la atmósfera no pasa el nivel de los 40 km de altitud.
-----la atmósfera es una mezcla gaseosa formada por nitrógeno ( 78 % ) ,oxígeno ( 21 % ) y otros gases en menor proporción .,al hacer la lectura de la presión del aire en determinado lugar ; un aumento respecto de la presión promedio presagia buen tiempo y un disminución pronostica una tormenta.
----cuando se mide la presión de los neumáticos de un automóvil ,el manómetro mide la presión debida al aire contenido en el neumático solamente , a esta presión se le llama presión manométrica y entonces la presión total del neumático ( p ) es igual a la presión manométrica Pm más la presión atmósferica ( Pa ) asi. P= Pm + Pa.
si un manómetro indica que la presión de un neumático es 30 lb / pulg ( cuadrada ) ,la presión del aire dentro del neumático debe ser igual a :
30 lb / pulg ( cuadrada ) +14.7 lb/ pulg. ( cuadrada ) = 44,7 lb/ pulg,( cuadrada ).
ejemplos: puede hacerlos ,en su casa y compruebe.
----cuando se calienta el aire contenido en un envase de lata
------cuando se usa una pajilla para tomar refrescos de la zona de mayor presión a la zona de menor presión ..
---gotero o cuentas gotas.
-----En general,la tendencia de los fluidos es moverse de las zonas de mayor presión a las zonas de menor presión al tomar en cuenta la presión atmósferica sobre la superficie exterior de un líquido en reposo ,la presión total en el interior del líquido a una profundidad ( h ) está dada por la expresión;.
P= Pa+Pgh.
siendo ( p ) la presión total,( Pa) la presión atmósferica , ( p ) la densidad del líquido y ( h ) la profundidad a la cuál queremos determinar el valor de la presión.
PRINCIPIO DE PASCAL..
Considere un lago y tres puntos dentro de él ( A,B,C, ) a diferentes profundidades ,esos puntos estan sometidos en el mismo orden a presiónes P1, P 2 Y P3, debidas solamente a la presión propia del líquido ,la superficie expuesta al lago está , desde luego , sometida a la presión atmosférica , Pa; esta es una presión externa al líquido que al ser tomada en cuenta para la presión total en los puntos A,B,C, indica que las presiones en esas tres posiciones son. respectivamente : P1 + Pa,P2+Pa y P3 + Pa.Este resultado es útil para ilustrar el ;principio de PASCAL. " Una presión externa aplicada a un líquido ,en reposo se transmite por igual a todas las partes del líquido ..
El principio de pascal , hace énfasis en ,el cambio de presión que experimenta un fluido confinado y en reposo y en la transmisión de ese cambio de presiones sin alteración a través de todo el fluido en todas direciones ,con fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen".este principio es aplicable a cualquier fluido,sea líquido o gas.
"Una aplicación práctica del principio de PASCAL se presenta en las máquinas multiplicadoras de fuerzas ( una fuerza pequeña se convierte en una fuerza grande ) ; las máquinas hidraulicas ,son también máquinas simples como la palanca ,la polea, el plano inclinado y otras ,el funcionamiento de estas máquinas hidráulicas se sustenta en el hecho de que ,un cambio de presión provocado por un fuerza externa al fluido confinado se transmite integro a todo el fluido y alas paredes del recipiente que lo constituye . [ una fuerza pequeña se convierte en una fuerza considerablemente mayor },
los pistones son cilindros que resbalan con facilidad dentro de un tubo al cual están ajustados
ejemplo. si el área A del piston grande es 100 veces el área de pistón pequeño ,la fuerza F sobre el pistón grande es 100 veces la fuerza F sobre el pistón pequeño ; F = 100 F.el factor de multiplicación de fuerzas es en este caso 1000.
La máquina hidráulica es una máquina simple que multiplica fuerzas pero no multiplica trabajo o energía ( ninguna máquina lo hace ) : esto quiere decir que hay conservación de la energía , y entonces el trabajo de la fuerza de entrada ,es igual al trabajo de la fuerza de sálida.
LAS APLICACIONES TECNOLÓGICAS.
Del principio de PASCAL son muchas y variadas ,-----los frenos hidráulicos en los automoviles ,transmiten a traves de un líquido ,la presión sobre el pedal hasta los zapatos que presionan el tambor de la rueda.
La comprensión de este principio permitió la creación de máquinas multiplicadoras de fuerza para realizar trabajo ,----algunos ---elevadores hidraulicos ,de automoviles .el gas sometido a presión ,y que empuja el líquido ,sillones de dentistas .--las gatas hidráulicas .tractores ,elevadores de carga ,grúas ,palas mecánicas , plataforma de misiles,y los trenes de aterrizaje de aviones ,entre otras.
EL PRICIPIO DE ARQUIMEDES
Una piedra se hunde si es tirada al agua ; sin embargo ,su caida es más lenta que si lo hiciera en el aire desde la misma altura ; podríamos pensar en un fuerza parecida a la fuerza de resistencia del aire ,en este caso ,una fuerza de resistencia del agua que retarda la caida.
Que un cuerpo pese mas que otro ,no garantiza que se hunda más que el otro.
todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje ascendente ,¿ cómo se mide el volumen de un cuerpo sumergido en agua ?.
Una manera sencilla de medir el volumen de un cuerpo ,cualquiera que sea su forma ,consiste en introducirlo en el agua contenida en una probeta ,en un vaso graduado o en un vaso de derrame ,un cuerpo sumergido totalmente en u líquido ,desplaza un volumen de líquido igual al volumen del cuerpo sumergido en él,.
¿ porqué se produce este empuje ascendente en el agua ?
sabemos que la presión dentro de un líquido aumenta conforme aumenta la profundidad y que las fuerzas de esa presión son perpendiculares a la superficie de cualquier cuerpo sumergido en él.
todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje ascendente..
ARQUIMEDES ( 287-212-a.c. ) ingeniero ,ciéntifico y matématico griego realizo experimentos relacionados con la pérdida aparente de peso cuando ,un cuerpo se sumerge en un líquido ,y con el volumen de líquido desplazado cuando un cuerpo se sumerge en él .
Dichos experimentos culminaron con el descubrimiento de la manera de calcular la fuerza de empuje de un líquido sobre los cuerpos sumergidos en él ,se trata de la LEY DE FLUIDOS ,que cuantifica la fuerza de empuje ,ley ley que ha sido conocida tradicionalmente como PRINCIPIO DE ARQUIMEDES ,cuyo enunciado es el siguiente,
( sobre un cuerpo sumergido en un fluido ,actúa ,una fuerza de empuje ascendente igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo ) Este principio es válido para cualquier fluido ,sea líquido o gas ,incluido el aire. operacionalmente ,el empuje E es igual al peso del fluido desplazado Mf g y ,dado que M = Pv, el empuje es igual a E= Pf Vf g.
siendo ( Pf ) la densidad del fluido ( no la densidad del cuerpo sumergido ) .
Vf = el volumen del fluido desplazado ,el cual es igual al volumen del cuerpo sumergido solamente cuando este esta totalmente sumergido ,y ( g ) la aceleración de la gravedad.
como se puede deducir de la ecuación ,." el empuje es mayor cuanto mayores sean la densidad y el volumen del fluido desplazado ." { la fuerza de empuje la determina el volumen del objeto sumergido ,no su peso }.recordemos que cuanto mayor es el volumen de líquido desplazado ,mayor es el empuje ,--cuanto mayor es la densidad del líquido mayor es el empuje si la densidad de un cuerpo es 10 veces la densidad del líquido en el cuál se sumerge , el empuje es la décima parte del peso del cuerpo.
----el submarino controla la profundidad llenando o desalojando de agua sus tanques de lastre , el pez lo hace al contraer o dilatar su vejiga natatoria .---cuando un cuerpo flota en un líquido ,el volumen sumergido del cuerpo se determina por la relación de sus densidades
EL PRINCIPIO DE ARQUIMEDES EN EL AIRE
Igual que en un líquido : si un cuerpo está totalmente sumergido en el aire ,desplaza un volumen de aire igual al volumen del cuerpo ,el peso de ese volumen de aire desplazado ,igual que en un líquido ,es igual a la fuerza de empuje del aire sobre el cuerpo .
Un cuerpo se hunde en el aire porque pesa más ( y es más denso que el aire ) que su mismo volumen de aire ; es el caso de las personas ,de los cuerpos sólidos y líquidos ,y por supuesto de los aviones y helicopteros ,( cuyo ascenso y vuelo no se basa en el principio de ARQUIMEDES ,un cuerpo sube por la acción de la fuerza de empuje del aire ) si pesa menos ( y si es menos denso que el aire ) que el volumen de aire que desplaza ; es el caso de los globos que se llenan con gases menos densos que el aire como el HIROGENO, y el HELIO,las cuales deben tener un tamaño tal,que desplace la cantidad de aire necesaria al menos igual a su peso total .El principio de ARQUIMEDES es válido para líquidos ,para el aire y para los gases en general; es por eso que hace referencia a los fluidos
LEY DE BOYLE.
ROBERT BOYLE ( 1627---1691 ) ,físico y químico inglés ,establecio la relación cuantitativa entre los cambios de presión y de volumen que experimenta un gas confinado ,esta relación se conoce como LEY DE BOYLE, y se enuncio como sigue { a temperatura constante ,la presión externa ejercida sobre un gas es inversamente proporcional al volumen que ocupa.}
p es inversamente proporcional I
------
V
donde K es una constante . Pv = constante ; entonces : P1V1=P2V2.
esto quiere decir que ,si el volumen de un gas se reduce a la mitad ,la presión aumenta al doble ,
.si el volumen se triplica la presión se reduce a la tercera parte de la presión original , y asi sucesivamente .la cantidad p Ves el trabajo realizado al comprimir o expandir un gas.
FLUIDOS EN MOVIMIENTO.
Ecuación de continuidad el estudio de los fluidos en movimiento ,la hidrodinámica ,es mucho más compleja que el estudio de la hidrostática ,es por eso que en este apartado considedaremos solamente fluidos que se mueven en régimen. estacionario o estable ,y no aquellos que lo hacen en régimen turbulentos ,hay flujos estacionarios y flujos turbulentos ;los turbulentos ,son , como en los remolinos ,erráticas y caóticas ,.Los flujos estacionarios ,o a régimen estable , son flujos que siguen trayectorias uniformes que no se alteran con el tiempo ; en estos flujos las partículas de fluidos siguen trayectorias llamadas lineas de corriente.
Al flujo estacionario se le denomina también flujo laminar ,debido a que las partículas viajan en capas de fluidos que se deslizan suavemente con capas vecinas y siguen trayectorias que no se cruzan con las trayectorias de las partículas en las otras capas .otra carecterística de los fluidos que es importante ,y que debemos considerar despreciable ,por lo menos en nuestro análisis, es la viscosidad .: una medida de la intensidad de fricción interna que tienen los fluidos ; se trata de una fuerza de fricción entre las capas adyacentes de fluido al moverse entre si y se presenta tanto en líquidos como en gases ,los líquidos son, en general ,más viscosos que los gases.
A1V1= A2V2, la ecuación nos permite deducir que en una sección del tubo de área transversal ,A pequeño la rapidez debe ser grande , y si el área es grande la rapidez es pequeña .Esta relación garantiza para un fluido que se mueve en un tubo de corriente que : ( cuanto menor sea el área que atraviesa ,mayor es la rapidez del flujo de fluido .
La ecuación de continuidad y su aplicación para el gasto ,caudal o flujo en los líquidos ,puede aplicarse también a los gases con algunas restricciones ,un de ellas que la densidad del gas no sufra variaciones durante el flujo.
ECUACIÓN DE BERNOULLI
Daniel Bernoulli ( 1700--1,782 ) ,físico,matemático , y médico suizo ,formuló una ecuación y , a partir de ella un principio ,cuya importancia radica en las múltiples aplicaciones que tiene ,la ecuación de Bernoulli es consecuencia de la conservación de la energía mecánica aplicada a fluidos estables y laminares ,como veremos a continuación .
El flujo tiene energía cinética debida a su movimiento ,energía potencial de compresión debido a la presión y energía potencial gravitatoria ,debido a su elevación ,según la conservación de la energía.
1/2mv1+P1V1+mgh= 1/2mV2+P2V2+mgh. ( V1 al cuadrado ) ( H2 ) = al cuadrado .
siendo m:= la masa de porción de fluido de volumen V ( M1=M2,Y V1 = V2 ).
V1 = la rapidez de esa masa de fluido .
P1 = la presión interna de la masa de fluido .
H1 = la altura del centro de masa de la porción de fluido ( respecto de un nivel de referencia arbitrario).
si en la ecuación de conservación de energía ,sustituimos { m por Pv ) y dividimos todo p v.obtenemos la ecuación de Bernoulli..
1/2PV1+P1+pgh1=1/2pv++p2+pgh2.
nota = V1 es al cuadrado , v2 es al cuadrado , h2 es al cuadrado.
la ecuación de Bernoulli es aplicable a los gases siempre y cuando la densidad del gas sea constante y no esté sometido a grandes presiones .
PRINCIPIOS DE BERNOULLI.
.En un flujo laminar ,icomprensible ,y no viscoso ,al aumentar la rapidez del fluido ,la presión del fluido en la dirección perpendicular a la del flujo disminuye ,este es un enunciado sencillo del pricipio de Bernouilli el cuál tiene múltiples aplicaciones ;mencionamos a continiacion algunas de ellas..
la rapideces que alcanzan los vientos de los tornados o huracanes ,igual que en un tubo estrecho ,cuanto más juntas están las lineas de corriente mayor es la rapidez ,las alas de un avión ,cuanto mayor sean la rapidez y el área de las alas ,mayor es la sustentación ; por eso a bajas velocidades se requieren alas muy grandes y a altas velocidades alas más pequeñas cuando la cortina en el baño se acerca al chorro que cae verticalmente con determinada rápidez ,sin que haya corriente externas de aire ,que lo provoquen ,la presión del aire fuera de la cortina supera la presión del aire entre la cortina y el chorro ;de ahi el acercamiento.
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