Blog Bogotá 07: MECÁNICA DE FLUIDOS

En está página estudiaremos hidrostática se refiere a los fluidos en reposo.
1. Características y propiedades de los fluidos.

Los fluidos interactúan con nosotros en la vida diaria, nadamos, bebemos, respiramos gracias a ellos, los aviones vuelan a través de ellos y los barcos flotan en ellos. Un fluido es cualquier sustancia que fluye, se incluyen los líquidos y los gases.

La mecánica de fluidos analiza las leyes de movimiento de los fluidos y su forma de interactuar con los cuerpos sólidos.

Este estudio empieza por el tema: estática de los fluidos, es decir los fluidos en reposo y en estado de equilibrio. Se revisarán los temas:

1. Características de los fluidos.

2. Densidad.

3. Presión, leyes, principios, aplicaciones y experimentos.

4.Biografías, lecturas.
5.Desafìos.

Los fluidos se caracterizan por estar conformados por moléculas que se encuentran espaciadas y las fuerzas que tratan de mantenerlas unidas son más débiles.

Las características y propiedades de los fluidos son:

A. Forma:
carecen de forma propia, acomodandose a la forma del recipiente que los contiene. Los líquidos presentan forma esférica en ausencia de gravedad.

B. Volumen:
los líquidos tienen volumen determinado, con una superficie libre que los limita. Los gases no tienen volumen determinado, ocupan completamente el recipiente que los contiene esta propiedad es expansibilidad de los gases.

C. Elasticidad:
los líquidos y los gases presentan está característica, recobran el volumen inicial cuando deja de actuar la fuerza que modifica su volumen.

D. Comprensibilidad:
los líquidos son incomprensibles ofrecen gran resistencia a la disminución de su volumen, transmitiendo por toda su masa la fuerza que se le aplique. Los gases son muy comprensibles ofrecen poca resistencia a la disminución de su volumen.

E. Cohesión:
la forma de los líquidos se debe a la poca cohesión que hay entre sus moléculas, que brinda gran movilidad, se deslizan unas entre las otras. Los gases tienen una cohesión casi nula, las moléculas son muy independientes unas de otras.

F. Viscosidad:
es el grado de resistencia que sufre un fluido al desplazarse. Los fluidos tiene algún grado de viscosidad en menor o mayor grado. La viscosidad depende de la temperatura en los gases aumenta con está, en los líquidos es lo contrario.

La viscosidad produce una fricción proporcional a la velocidad con la que una capa se mueve sobre otra en un líquido. Se dice que "La viscosidad distingue fluidos de sólidos". En un sólido ideal la viscosidad se considera infinita. Un fluido muy viscoso presenta gran fricción entre sus capas y también contra las superficies sobre las que fluye.

G. Capilaridad:
propiedad de los líquidos que indica la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar, donde la fuerza de cohesión es superada por la fuerza de adhesión, esto se debe a la tensión superficial. A menor diámetro en un capilar mayor altura alcanza el líquido. A está se debe que un líquido moje un terrón de azúcar, el líquido invade en pocos segundos los pequeños espacios de aire que quedan entre los minúsculos cristales. Hay materiales que son más propensos a esté fenómeno, en la humedad de las viviendas, algunos materiales (porosos con los cuales construyen las viviendas) absorben más el agua tanto del interior cómo del exterior y por lo tanto producen la humedad.

H. Tensión superficial:
propiedad de los líquidos, las moléculas de un líquidio se atraen entre sí, en la superficie las moléculas son atraidas hacia el interior, lo que ocasiona que la superficie del líquido se comporte como si estuviera rodeado por una membrana invisible y crea resistencia para aumentar la superficie (cantidad de energía necesaria para aumentar la superficie de un líquido por unidad de área). A está se debe que el fluido presente resistencia a la penetración de su superficie, la tendencia a la forma esférica de las gotas, el ascenso de los líquidos por los capilares, la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos. En las imágenes se observan algunos ejemplos.

El siguiente video aclara algunas propiedades de los iquidos.

2. Densidad o Masa Específica.

La densidad de un cuerpo es la relación entre la masa y el volumen D=m/v. La densidad es una magnitud escalar. La unidad en el sistema internacional es kg/m3, en el sistema CGS es g/cm3.

Ejemplo: la densidad del cobre es 8,9 g/cm3. Esto significa que cada cm3 de Cu tiene una masa de 8,9 gramos.

La siguiente dirección web, amplía experimentalmente el concepto de densidad.
http://www.iesaguilarycano.com/dpto/fyq/densidad/densidad.htm

La tabla 1 muestra las densidades de diversas sustancia.

3. Presión.
En la figura 1 se observa un objeto de peso F, apoyado sobre una superficie plana de área A. La comprensiòn que el objeto ejerce sobre la superficie, debida a su peso, está distribuida sobre toda el área A, la fuerza F que produce la comprensiòn es perpendicular a la superficie.
Se define la presiòn P, ejercida por la fuerza F, sobre el área A, como el cociente entre la fuerza y el àrea: P=F/A. La unidad en el SI es N/m2, está unidad se llama Pascal, en el sistema CGS la unidad de presiòn es d/cm2, llamada baria. La presión es una magnitud escalar.
Ejemplo: Si en la figura 1 el peso del cubo es 60 N , y se distribuye en un área A= 20 cm2, la presión sobre la superficie es:

P=F/A, P=60N/20 cm2 entonces P=30 N/cm2.
Esto significa que en cada cm2 de la superficie actúa una fuerza de 30 N.

3.1. Presión hidrostática.

Es la fuerza que ejerce un líquido estático sobre el cuerpo que esté sumergido en él. En la figura se observa un cuerpo en un fluido y las fuerzas que ejerce esté en él. Ademas se observa como varia la presión con la profundidad.

3.1.1Aplicaciones al principio fundamental de la hidrostática.

Paradoja Hidrostática:

3.1.2 Tubo en U

3.1.2 Principio de Pascal:
"El incremento de presión en un punto de un líquido en equilibrio, se transmite íntegramente a todos los puntos de dicho líquido y a las paredes del recipiente que lo contiene". Sus aplicaciones son:
3.1.2.1 Bomba de Pascal:

3.1.2.2. Vasos comunicantes: como se observa en la figura.

3.1.2.3. Prensa hidráulica: dispositivo mecánico que se observa en la figura:

3.1.2.4. Freno hidráulico.

3.1.2 Principio de Arquímedes:
"Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje vertical hacia arriba, igual al líquido desplazado por el cuerpo"
El valor del empuje es igual al peso desplazado por el cuerpo.
El empuje se puede calcular (ver figura), E = Pr - Pa.
adicionalmente E=df.g.Vd.
df=densidad del líquido. g=gravedad.       Vd= volumen del líquido desalojado.

Ejemplo: Un cuerpo pesa en el aire 70 D, sumergido en el agua pesa 40 D. Halle la densidad del cuerpo. (si no dice lo contrario utilice g=1000 m/s2).

Pr=70 D     E=Pr - Pa    E= 30 D
Pa=40 D                               E=df.g.Vd    despejo Vd=E/g.df
m=70/1000 =0,07 g     Vd=30D/(1000x.1,0) = 0,03g = 0,03 cm3
df=1.0 g/cm3                        dc=m/V
g= 1000cm/s2     dc=0,07g/0,03cm3
dc=2,3g/cm3

En las figuras se observan las consecuencias del Principio de Arquímedes.

3.1.4 Presión atmosférica.
Es la fuerza que ejerce la capa de aíre sobre la tierra, Los gases que componen la atmósfera tienen masa y, como consecuencia de la atracción gravitatoria que ejerce la Tierra, tienen peso. La presión atmosférica sobre un centímetro cuadrado de superficie es el resultado del peso de la columna de aire, de un centímetro de sección, que se encuentra sobre ella.
La Presión atmosférica varía con la altura. La densidad del aire disminuye conforme aumenta la altura (ver imagen), otro factor de variación es la temperatura, la presión del aire está variando continuamente, en una escala temporal como espacial,
Para medir la Presión atmosféric,a puede usarse un barómetro aneroide en lugar de un barómetro de mercurio. Es más fácil de transportar. Este instrumento contiene celdas selladas que se contraren o expanden en función de los cambios de la presión atmosférica. Si hay un incremento de la presión, las celdas se apretarán entre sí. Si la presión disminuye, las celdas aumentan de tamaño. Los cambios de las celdas mueven un brazo mecánico que indica si la presión de aire es más alta o más baja.
Un barómetro de mercurio (ver imagen) o un barómetro aneroide pueden prepararse para hacer mediciones constantes de la presión atmosférica. Entonces se conoce como barógrafo. El barógrafo puede registrar constantemente la presión sobre papel o lámina de alumino envueltos sobre un tambor que hace una revolución por día, por semana, o por mes. Actualmente la mayoria de los instrumentos mecánicos de estados del tiempo han sido substituidos por instrumentos electrónicos que registran la presión atmosférica en una computadora.
Barómetro de mercurio.