4. Fluidos e Hidrodinámica

¿Qué tengo que conocer de Física en 4º E.S.O.?
Diego E. Pérez-Olea / Dpto. Física y Química. I.E.S. San Juan Bautista
Cuarta entrega de actividades para el refuerzo y recuperación de Física y Química de 4º ESO. Para tener constancia del conocimiento de las familias de esta
actividad adicional, agradeceríamos devolvieran firmada esta hoja con los problemas resueltos que, una vez supervisados por el departamento, será devuelto
al alumno para su uso posterior.
Firma del padre/madre
Nombre del alumno/a
Fecha
Grupo
Tema 4 Fluidos: Los fluidos se consideran líquidos con distancias intermoleculares fijas, en el sentido que no se comprimen por efecto de la presión, ni se
modifican por efecto de la Temperatura. En el tema siguiente se ven los efectos de la dilatación en los materiales, pero no son tenidos en cuenta en los cálculos de
hidroestática.
La densidad se calcula como la masa por unidad
F
Presión: Fuerza que actúa por unidad de superficie: P =
de volumen. Se mide en kg/m3 ó gr/cm3,
S
(1000kg/m3 = 1 gr/cm3).
En un fluido, la presión no depende de la cantidad de agua sino del peso de agua que hay encima, ya que la presión
depende de la superficie:
La presión atmosférica se mide en atmósferas
F m· g d ·V · g d ·S·h· g
(atm)
o milímetros de mercurio (mmHg). La
P= =
=
=
= d ·h· g
S
S
S
S
relación entre ellas es
La presión es constante en los puntos a la misma profundidad si no hay otras fuerzas aparte de la gravedad.
1atm=760mmHg=1,013·105Pa
Prensa hidráulica: La presión en un líquido se transmite en todo él, por lo que las fuerzas están relacionadas con las
superficies:
Cuando sumergimos un cuerpo en un fluido, el
peso disminuye por el empuje. Si está un muelle
F1 F2
P1 =
=
= P2
unido al peso, tendremos fuera del fluido:
S
S
1
2
Empuje: Fuerza que ejerce un fluido sobre un cuerpo sumergido en él y que es contraria al peso del cuerpo. Se
calcula como el peso del volumen del líquido desalojado:
E = Pliquido = d liquido ·Vcuerpo · g
F=P; k∆x=m·g
pero dentro del fluido: F=P-E; k∆x=m·g-E
De estas dos relaciones se puede calcular la
densidad (a partir del Empuje) o la constante del
muelle, etc.
Unidades: Presión: Pa (Pascales)
Los conceptos fundamentales que tenemos que comprender es el significado de Presión y como influye en los sistemas, y las consecuencias de la inmersión
de objetos en fluidos. La presión atmosférica o la hidráulica se debe al peso de las partículas que hay por encima de ella, no de los laterales.
En todos los casos, hay que tener en cuenta que la presión (fuerza por unidad de superficie) es constante para los puntos a la misma altura/profundidad, y no
depende de la cantidad de materia que esté en horizontal. Además, al considerar que no se comprime, cuando se empuja un fluido la cantidad de volumen
que se arrastra se debe conservar.
Respecto del empuje, es una fuerza (se mide en N), que tiende a “expulsar” el objeto que hemos sumergido. Si el objeto se hunde es porque la fuerza “peso”
puede al empuje, y si flota, es al revés.
Ejercicios propuestos
El alumno debe intentar resolver los ejercicios por sí solo, siendo capaz de entender el fundamento y la implicación física del proceso.
4.1 Calcula la presión que se hace al pinchar a alguien con una tiza de superficie 15mm2, un lápiz de 5mm2, una aguja de 0,1mm2. ¿con cuál hace más
daño?
4.2 Las medusas pueden bajar a grandes profundidades. Calcula que presión soportan a 1000m de profundidad. La densidad del agua de mar es de
1,04gr/cm3.
4.3 Una bola de plástico de radio 10cm se sumerge en aceite (d=0,9gr/cm3). Calcula el empuje que ejerce el aceite sobre la bola.
4.4 Un batiscafo de volumen 3m3 y peso 3Tn se encuentra sumergido en el mar a una profundidad de 3000m. Calcula el peso del batiscafo, la presión que
hay a esa profundidad, el empuje del batiscafo, la fuerza resultante.
4.5 En un taller deben levantar coches de hasta 3,5Tn de peso. Sabiendo que la superficie donde se ponen los coches es de 10m2, y que el motor de la
bomba con el que se empuja desarrolla como máximo una fuerza de 35N, calcula la superficie donde debe actuar la bomba. ¿es real el resultado?
4.6 Cuando decimos que hace buen tiempo es que tenemos altas presiones, y podemos tener 1020mbares de presión. Expresa esa presión en Pascales. Si
tenemos una superficie de 1m2, ¿cuánto pesa el aire que tenemos encima de nosotros?
4.7 En una feria, un globo de Bob Esponja (deshinchado pesa 20gr) se hincha con Helio (densidad 0,00018gr/cm3), teniendo un volumen de ½ m3. Calcula
el peso del globo (contando el peso del Helio dentro del globo), el empuje que hace el aire (densidad 0,00118gr/cm3), y con qué fuerza asciende el globo al
soltar la cuerda. ¿Qué aceleración tiene? Si esta aceleración se mantiene durante 5 segundos, ¿Qué velocidad adquiere al cabo de ese rato? ¿Qué altura sube?
Las siguientes pistas o recomendaciones solo deben ser leídas cuando al intentar resolver el problema en varias ocasiones, no se ha conseguido su
resolución. Si se ha consultado mucho estas pistas, indica que no se ha reforzado lo suficiente.
Pistas/Recomendaciones
4.1 Convertir las unidades al S.I. y aplicar la definición de presión.
4.2 Aplicar la ecuación de la presión hidrostática.
4.3 El empuje es una fuerza que equivale en valor al peso del líquido que desplaza al sumergirlo, por tanto hay que calcular el volumen de la bola, suponer que ese volumen es de aceite y
a partir de la densidad, calcular el peso que tendría. El empuje es vector opuesto al peso.
4.4 Es un resumen de lo aplicado en los ejercicios anteriores, el peso no depende de donde esté sumergido. La presión es la hidrostática. El empuje lo calculamos como en el ejercicio 4.3
y la fuerza resultante (peso menos empuje) nos dirá si baja (mayor peso), sube (mayor empuje) o se queda quieto (empuje igual al peso).
4.5 Es una aplicación de la prensa hidráulica, basada en el principio de la hidrostática: puntos a igual profundidad tienen la misma presión. Por tanto, como la presión es igual, el cociente
fuerza entre la superficie se mantiene constante. Si la fuerza es mayor, tiene más superficie para “repartirse”.
4.6 Este ejercicio es igual qie el 4.2, pero con aire. Sabemos la presión y la superficie, por tanto podemos conocer la fuerza, que es el peso.
4.7 Vamos a dividir el ejercicio en pasos para verlo más fácil. Hay que calcular el peso del globo, lo que pesa vacio más lo que pesa del Helio (a partir de su densidad y volumen). Con el
volumen del globo, calculamos el peso del aire que se desplaza por estar el globo hinchado, que sería el empuje. La diferencia peso-empuje da la fuerza de movimiento (si es mayor el
empuje, sube, sino baja). Como conocemos la masa del globo y como F=m·a, calculamos la aceleración. Y la aplicación de las ecuaciones de cinemática nos ayuda a calcular la velocidad
(v=v0+a·t) y el espacio ( e
= e0 + v 0 ·t + 1 ·a·t 2 ).
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