la presión - IES Las Viñas

I.E.S. Las Viñas, Manilva (Málaga)
Dpto. Física y Química, Curso 2013/14
LA PRESIÓN
Siempre que una fuerza actúa sobre una superficie decimos que esta superficie está soportando una presión.
Presión es una magnitud que nos indica la cantidad de fuerza que actúa sobre la unidad de superficie.
Su valor se calcula por tanto como el cociente entre la fuerza y la superficie:
P=
F
S
El comportamiento de los cuerpos en general, y por tanto los efectos que sufren cuando se ejercen fuerzas sobre ellos,
depende más de la presión que soportan y no tanto del valor de dichas fuerzas. Esto es así porque aunque una fuerza sea
muy intensa, si se reparte sobre una gran superficie, la presión que soporta dicha superficie puede ser menor que en otro
caso en el que actúe una fuerza de menor intensidad pero sobre una superficie más reducida. Hay muchos fenómenos que
así lo atestiguan:
Si apretamos con el dedo una chincheta contra un tablero de madera, se clavará en él. Pero si ponemos la cabeza de la
chincheta contra la madera y presionamos con el dedo sobre su punta, donde se clavará será en el dedo. Esto es así
porque la cabeza de la chincheta tiene una superficie mucho mayor que la punta, quizá mil veces mayor, y por tanto la
presión que ejerce la chincheta por su punta es unas mil veces mayor que la que ejerce por su cabeza. Ahora se puede
comprender la importancia de afilar bien herramientas como cuchillos, hachas, etc.
Al caminar sobre la nieve, o sobre barro, nos hundimos en el suelo, pero no sucede lo mismo si llevamos esquíes o
raquetas, ya que al aumentar la superficie del suelo que soporta nuestro peso, la presión que ejercemos es mucho menor.
Lo mismo sucede sobre el agua: nos hundimos en ella pero flotamos sobre una tabla de surf o similar.
Unidades de presión
La unidad internacional de presión es el Pascal (Pa), que se define como la presión que ejerce una fuerza de un Newton
sobre una superficie de un metro cuadrado:
1 Pa = 1 N / m2
Si recordamos que 1 N es una fuerza muy pequeña (aproximadamente igual al peso de una masa de 100 g) y
consideramos que se reparte sobre una superficie de 1 m2, nos daremos cuenta de que 1 Pa es una presión muy pequeña.
Por este motivo se suelen usar otras unidades de presión más grandes:
Unidad
Símbolo
Pascal
Pa
Atmósfera
atm
1 atm = 760 mm Hg = 101 300 Pa = 1,013·105 Pa
Milímetro de mercurio
mm Hg
1 mm Hg = 1/760 atm = 133,3 Pa
Bar
bar
1 bar = 100 000 Pa = 1·105 Pa
Milibar
mb
1 mb = 1·10-3 bar = 1·102 Pa = 1 hPa
“kilo” (kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado)
Kgf / cm2
1 Kgf / cm2 = 98 000 Pa = 0'98·105 Pa
Obsérvese que
Equivalencias
1 atm ≅ 1 bar ≅ 1 Kgf / cm2
Presión ejercida por un sólido
Un sólido ejerce una presión sobre el suelo en el que descansa puesto que ejerce sobre él una fuerza. Esta fuerza es igual
al peso del sólido y se ejerce sobre una superficie del suelo igual a la base del propio sólido. No ejerce presión sobre otros
cuerpos que se encuentren a su lado, ni sobre él, porque, debido a que es rígido y mantiene su forma fija, no ejerce
fuerzas laterales ni hacia arriba.
Esta presión se calcula por el cociente entre la fuerza –igual a su propio peso- y la superficie sobre la que la ejerce:
F m⋅g
P( Presión)= =
S
S
Si no conocemos la masa del sólido, pero sí su densidad, podemos expresar aquella en función de ésta:
d=
m
V
;
m=d⋅V
;
por lo que
P=
d⋅V⋅g
S
Se comprende que un mismo objeto sólido, en general, no ejercerá la misma presión sobre el suelo si lo hacemos
descansar sobre distintas caras o lados. Es el caso de un prisma si lo hacemos descansar sobre su cara más estrecha o
sobre su cara más ancha, y el de un cono o una pirámide si los hacemos descansar sobre sus bases o de costado, etc.
I.E.S. Las Viñas, Manilva (Málaga)
Dpto. Física y Química, Curso 2013/14
Presión ejercida por un líquido
Un líquido ejerce presión sobre su base por su propio peso, igual que un sólido. Pero además ejerce presión sobre las
paredes laterales del recipiente que lo contiene, porque sus partículas tienen una cierta libertad de movimiento, se
empujan unas a otras en todas direcciones, y por tanto también empujan lateralmente. Un líquido también ejerce presión
sobre cualquier cuerpo sumergido en él, por el mismo motivo. Esta presión se ejerce en todas direcciones, incluso hacia
arriba, con el mismo valor.
La presión sobre el fondo se calcula como en el caso del sólido: por el cociente entre el peso del líquido y el área de su
base, y además, puede expresarse o calcularse a partir de la densidad y el volumen del líquido:
F m⋅g d⋅V⋅g
P= =
=
S
S
S
Es muy frecuente el caso de líquidos contenidos en recipientes de paredes verticales. En esos casos su volumen es igual
al producto del área de la base (S) por la altura (h):
y la presión sobre su base es:
V =S⋅h
P=
d⋅g⋅V d⋅g⋅S⋅h
=
=d⋅g⋅h
S
S
Este resultado expresa el hecho de que la presión que ejerce un líquido sobre el fondo de un recipiente depende de la
densidad del líquido y de la altura que alcance en el recipiente, pero no de lo ancha que sea la base de éste.
La anterior expresión, conocida como presión hidrostática de un líquido, es válida también para el cálculo de la presión
que el líquido ejerce sobre las paredes laterales del recipiente, y para el de
la presión sobre objetos sumergidos. En estos casos la altura a tomar en
cuenta es en realidad la profundidad del punto considerado, o sea, la altura
de líquido sobre el punto en cuestión, hasta la superficie libre, y no importa
en absoluto la altura del punto sobre el fondo. Por este motivo, la presión
en el interior de un líquido aumenta con la profundidad.
Obsérvese que este resultado, P = d • g • h es válido también para
el cálculo de la presión de un sólido sobre su base –sobre el suelo en que
descansa- siempre que dicho sólido sea homogéneo –o sea, tenga la
misma densidad en todos sus puntos- y su altura sea también la misma en
todos sus puntos. Por ejemplo, en el caso de prismas o cilindros regulares,
columnas, etc.
LÍQUIDO
Presión ejercida por un gas
Los gases ejercen presión sobre el suelo en que descansan, sobre las paredes laterales del recipiente y sobre los objetos
sumergidos en su interior, por los mismos motivos que los líquidos: por su propio peso y por la movilidad de sus partículas.
Esa es la presión hidrostática de los gases, que se calcula:
P = d•g•h
Sin embargo esa presión suele ser muy pequeña, porque los gases tienen densidades muy bajas, y porque los recipientes
que los contienen no tienen una altura excesiva. Por ello la presión hidrostática de los gases es despreciable, excepto en
un caso: el de la presión atmosférica. En efecto, la atmósfera es el único sistema material gaseoso de nuestro planeta con
la suficiente altura para que la presión debida al peso del aire no sea despreciable.
Los gases también ejercen otro tipo de presión, que podríamos denominar presión termodinámica. Se debe a que sus
partículas se mueven con gran libertad, a grandes velocidades, y en todas direcciones, al azar. Por tanto, están chocando
continuamente unas con otras entre sí y también contra todo otro objeto con el que se tropiecen. Se podría pensar que
esta presión también debería ser despreciable, porque el choque de una sola
partícula ejerce una fuerza muy pequeña, o que debería ser variable porque
los choques son discontinuos, y no todos con la misma fuerza, pero el número
de choques sobre cada unidad de superficie y en cada unidad de tiempo es
GAS
tan grande, que el resultado estadístico es que la presión termodinámica de
los gases es constante, igual en todos los puntos del gas, y no suele ser
despreciable. Esta es la presión a la que nos referimos habitualmente
cuando hablamos de la presión de los gases.
Los gases, por tanto, ejercen presión en todas direcciones y con el mismo
valor, sobre todas las paredes de los recipientes que los contienen, y también
sobre los cuerpos contenidos en su interior. Esta presión no depende de la altura
del gas, sino del número de choques de las partículas del gas por unidad de
superficie y por unidad de tiempo, y de lo violentos que sean estos choques. Es decir, esta presión dependerá de lo
concentradas que estén las partículas del gas (número de partículas por unidad de volumen) y de la temperatura (cuanto
mayor es la temperatura, más rápidas se mueven las partículas). A mayores concentración y temperatura, mayor presión.