Módulo III Fluidos ( Carlos Figueroa)

C
G
Liceo de Adultos
Luís Gómez Catalán
Estación Central
L
MODULO III FLUIDOS
2°NM
MÓDULO III FLUIDOS
2NM
Densidad y Presión
La materia se presenta en distintos estados o fases, cuyas propiedades y características son diferentes.
Históricamente, se reconocieron tres estados, de acuerdo a distinciones cualitativas entre sus propiedades
macroscópicas. Actualmente, las distinciones entre estados de la materia están basadas en diferencias en sus
interacciones moleculares y así se pueden reconocer por lo menos cuatro estados diferentes:
• Sólido. Es el estado en el cual la materia tiene forma y volumen definidos. En este caso, la atracción
intermolecular mantiene a las moléculas en posiciones relativas fijas.
• Líquido. Es el estado en el que la materia mantiene un volumen definido, pero cambia su forma de acuerdo a
su contenedor. En este caso, la atracción entre las moléculas logra mantenerlas relativamente próximas,
pero no lo suficiente para fijar sus posiciones relativas.
• Gas. Es el estado en el que la materia se expande hasta ocupar cualquier volumen disponible. En este caso,
las moléculas están relativamente separadas y la atracción intermolecular tiene un efecto despreciable en
su movimiento.
• Plasma. Se trata de una sustancia compuesta por una colección de partículas libres con carga eléctrica.
1.- Completa el siguiente cuadro
Estado
Forma
Interacción Molecular
A las sustancias en estado gaseoso o en estado líquido les llamamos fluidos. Esta denominación se debe a que,
en determinadas circunstancias, este tipo de sustancia tiene la propiedad de escurrir o fluir, ya que su forma se
adapta a cualquier contenedor sólido.
2.- Define e indica ejemplos de Fluidos.-
Líquidos y gases en el Universo
Para hacer una distinción rigurosa, es necesario evaluar una propiedad de las sustancias conocida como
viscosidad. Un caso bien documentado, por ejemplo, es el de una sustancia muy común en nuestras ciudades y
carreteras, conocida como asfalto.
El asfalto se puede encontrar de manera natural en depósitos de petróleo crudo, pero se obtiene también
fácilmente como un subproducto en las refinerías petroleras. Se trata de una sustancia que al tacto parece dura,
pero que en realidad puede fluir. Esto lo demuestra el experimento de la gota de asfalto, que se empezó en
1927 y ¡todavía continua! Consiste en dejar caer gotas de asfalto desde un embudo a otro recipiente. 70 años
después de iniciar el experimento, cayó la octava gota de asfalto, y actualmente sigue formándose la gota
número 9.
Pero no solo los líquidos que parecen sólidos son interesantes en el mundo de los fluidos. De hecho, gran parte
del Universo está hecha de fluidos. La atmósfera y los océanos de la Tierra, son gases y líquidos,
respectivamente. Incluso la roca y el metal a elevadas temperaturas son fluidos en las profundidades de la Tierra.
En el Sistema Solar, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno son planetas gigantes gaseosos, constituidos
principalmente de gases o gases comprimidos en estado líquido. Sin embargo, la materia visible más abundante
en el Universo se encuentra en forma de plasma en las estrellas y en las nubes interestelares.
La forma que adoptan los fluidos está determinada por las fuerzas externas que actúan sobre ellos. En el caso
de la atmósfera terrestre, por ejemplo, el gas adapta la forma de una cáscara esférica que rodea al planeta, debido
a la acción de la fuerza de gravedad.
Cuál es la importancia de los Fluidos?
DENSIDAD
Para el estudio de los fluidos, centramos nuestra atención en la comprensión de la idea de densidad volumétrica.
Por eso, en adelante, cada vez que nos refiramos a la densidad de un cuerpo, estaremos hablando de su densidad
volumétrica a menos que se indique otra cosa.
De acuerdo a esto, la densidad de un cuerpo cualquiera es una magnitud escalar, cuya unidad de medida en el
Sistema Internacional es Kg/ m3 , y se determina de la siguiente forma:
ρ = m/V
En la ecuación m es la masa y V es el volumen del cuerpo.
Cuál es el volumen de una botella de aceite que pesa 300 grs.?
Si su densidad es 920 kg/m
LA PRESIÓN
Cuando dos objetos extensos interactúan mediante una fuerza, de manera que una gran cantidad de puntos de
sus superficies están en contacto, decimos que los objetos ejercen presión entre sí. La presión es, entonces,
una fuerza que se distribuye en una superficie y actúa en un área determinada.
De acuerdo a esto, la presión se define del siguiente modo:
P F/A
Donde F es el módulo de la fuerza perpendicular a la superficie cuya área de contacto es A. (Recuerda que la
fuerza se mide en newton y el área en m2.
Qué presión ejerce un liquido, sí ejerce una fuerza de 3 N, sobre una superficie de 2,5 m2
Presión hidrostática
Cuando sumergimos un dedo en un vaso con agua o cuando nos sumergimos en una piscina, podemos percibir
la fuerza de contacto del agua en cada punto sumergido de nuestro cuerpo, las fuerzas del líquido actúan sobre
nuestra piel apuntando en todas direcciones.
Como actúan un fluido sobre un cuerpo?
Cuando nadamos con la cabeza bajo el agua, podemos notar cómo la presión aumenta en la medida en que más
nos sumergimos. A veces, llegamos a sentir un pequeño dolor en el oído, producto del aumento de presión sobre
el tímpano.
¿Qué provoca esa presión?
Simplemente, el peso del fluido que está sobre nosotros.
¿Y qué fluido tenemos sobre nosotros?
Agua, obviamente. Pero no solo agua. Sobre la superficie del agua hay aire, y como tal, también es un fluido
cuyo peso tenemos que considerar.
El peso del aire de la atmósfera produce una presión sobre la superficie terrestre y sobre cualquier otra superficie
que se encuentre en ella; por ejemplo, la superficie de nuestros cuerpos. Esta presión es llamada presión
atmosférica.
Analicemos la relación entre el peso del agua, el peso del aire y la presión, cuando un objeto se sumerge a cierta
profundidad.
Para esto, consideremos el diagrama de la Figura 5.14, en el que se ha representado una porción del agua en
reposo, como un cilindro de masa m, cuyo volumen es:
V=A·h
Principio de Pascal
En 1648, Blaise Pascal postulo:
«El incremento de presión aplicado a la superficie de un fluido incompresible, contenido en un recipiente
indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo.
En la vida diaria donde se aplica el principio de Pascal
El montaje que se muestra en la Figura también es una demostración del principio de Pascal, ya que la presión
ejercida por la jeringa se propaga de manera constante a cualquier lugar en el interior del líquido, lo que queda
en evidencia porque se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión.
El principio de Pascal es utilizado en muchos objetos tecnológicos que trabajan con líquidos. Por esta razón,
estas máquinas se llaman hidráulicas, ya que usan los fluidos para aplicar y aumentar las fuerzas.
Piensa, por ejemplo, en los componentes de un vehículo: ¿qué características tienen en común
la dirección hidráulica, los frenos hidráulicos y la gata hidráulica?
A continuación, analizaremos el interesante caso de la gata hidráulica, que consiste en un dispositivo capaz de
levantar un gran peso a partir de la aplicación de una fuerza relativamen-te pequeña.
Como se muestra en la Figura 5.20, el mecanismo de la gata hidráulica está compuesto por dos émbolos de
distinto diámetro conectados por un fluido encerrado en una cavidad, cuyo diámetro varía de un émbolo al otro.
Al mecanismo se aplica fuerza de entrada (F1) sobre una pequeña superficie de área A1. Esto genera
una presión en el fluido que se transmite de manera constante en todo su interior y, en particular, hasta la
superficie A2, cuya área es mayor que A1. Por lo tanto, sobre A2 el fluido aplica una fuerza de salida (F2) que
es mayor que la fuerza de entrada.
Resume brevemente como funciona una gata hidráulica
Registra el principio de Pascal
Presión atmosférica
Ya hemos mostrado que los gases, a diferencia de los líquidos, pueden ser comprimidos. Nuestra atmósfera es
un fluido gaseoso en el que la densidad disminuye gradualmente con la altitud.
Entre las capas atmosféricas, la que se encuentra más próxima a la superficie del planeta es llamada troposfera,
y tiene la mayor densidad, porque está más comprimida por el peso de las capas superiores.
De esta manera, en la medida que nos alejamos de la superficie de la Tierra la densidad disminuye.
Recuerdas las capas de la atmosfera? Nómbralas
De acuerdo a esto, la atmósfera puede ser modelada como un fluido estático formado por capas de distinta
densidad. Si en este modelo se considera, además, que la temperatura y la intensidad del campo gravitatorio
son constantes, entonces la densidad atmosférica es directamente proporcional a la presión.
Al formalizar matemáticamente estas condiciones, la presión atmosférica muestra una relación
exponencial con la altitud. Es decir, la presión atmosférica disminuye rápidamente al alejarse de la superficie
terrestre.
Qué relación hay entre la Latitud y la presión atmosférica
El principio de Arquímedes
Arquímedes de Siracusa vivió entre los años 287 y 212 A.C. Entre sus descubrimientos más notables está el
principio de flotabilidad de los cuerpos, conocido hoy como principio de Arquímedes.
Arquímedes descubrió que un cuerpo, al ser sumergido parcial o totalmente en el interior de un
fluido, experimenta una fuerza hacia arriba, llamada fuerza de empuje o, simplemente, empuje, cuyo módulo
es igual al peso del fluido que desplaza.
Enuncia el principio de Arquímedes
En términos de módulos, el empuje se define, entonces, del siguiente modo:
E= P
Donde E es la fuerza de empuje y P corresponde al peso del fluido desplazado.
Es importante no confundir el peso del fluido desplazado con el peso del objeto sumergido. El primero depende
de la masa del fluido desplazado m.:
P= mg
¿Por qué un objeto se hunde o flota?
La flotación de un objeto depende de la relación entre su densidad y la densidad del fluido en el que se encuentra.
Analizaremos los tres casos posibles.
1.- El objeto es más denso que el fluido
En este caso, el objeto se va hacia el fondo del líquido en el que es sumergido, debido a que el peso del objeto
es mayor que el peso del fluido desplazado y, por lo tanto, mayor que el empuje:
P>E
La piedra sumergida completamente, es un buen ejemplo de esta situación.
2.- El objeto tiene la misma densidad que el fluido
En este caso, no podemos decir que el objeto se hunda o flote, aunque se trata de un caso particular en el que el
peso del objeto es igual al peso del fluido desplazado y, por lo tanto, igual al empuje. Sin embargo, el objeto
podría encontrarse igualmente en el límite de la superficie del fluido o en el fondo.
P=E
Un ejemplo de esta condición sería la situación de un globo lleno de agua en el interior de otro
recipiente con agua.
3.-El objeto tiene menor densidad que el fluido
En este caso el objeto permanece parcialmente sumergido, es decir, flota. Esto se debe a que si el cuerpo se
sumerge completamente, su peso es menor que el peso del fluido que desplaza, de manera que asciende hasta
la superficie.
En estas condiciones, el objeto flotante desplaza un volumen de agua que es una fracción del volumen total del
objeto, lo que permite equilibrar su peso y el empuje.
Por supuesto, los ejemplos de esta situación son numerosos. Tal vez, el más espectacular sea el de un
iceberg en el mar, cuya versión doméstica podemos observar con cubos de hielo en un vaso de agua.
Compara las diferentes situaciones plantadas anteriormente
El objeto es más denso que
el fluido
El objeto tiene la misma
densidad que el fluido
El objeto tiene menor densidad
que el fluido