HIDROSTATICA
La hidrostática es la rama
de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es
decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.
Reciben el nombre de fluidos
aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente
que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez.
Son fluidos tanto los líquidos
como los gases, y su forma puede cambiar fácilmente por escurrimiento debido a
la acción de fuerzas pequeñas.
Los principales teoremas que
respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el
principio de Arquímedes.
Principio
de Pascal
El principio de Pascal
afirma que la presión aplicada sobre un fluido no compresible contenido en un
recipiente indeformable se transmite con igual intensidad en todas las
direcciones y a todas partes del recipiente.
Este tipo de fenómeno se
puede apreciar, por ejemplo en la prensa hidráulica la cual funciona aplicando
este principio.
Definimos compresibilidad
como la capacidad que tiene un fluido para disminuir el volumen que ocupa al
ser sometido a la acción de fuerzas.
Un cambio de presión
aplicado a un fluido en reposo dentro de un recipiente se transmite sin
alteración a través de todo el fluido. Es igual en todas las direcciones y
actúa mediante fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen.
El principio de Pascal
fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas
hidráulicas: la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras.
Este dispositivo, llamado
prensa hidráulica, nos permite prensar, levantar pesos o estampar metales
ejerciendo fuerzas muy pequeñas. Veamos cómo lo hace.
El recipiente lleno de
líquido de la figura consta de dos cuellos de diferente sección cerrados con
sendos tapones ajustados y capaces de res-balar libremente dentro de los tubos
(pistones). Si se ejerce una fuerza (F1) sobre el pistón pequeño, la presión
ejercida se transmite, tal como lo observó Pascal, a todos los puntos del
fluido dentro del recinto y produce fuerzas perpendiculares a las paredes. En
particular, la porción de pared representada por el pistón grande (A2) siente
una fuerza (F2) de manera que mientras el pistón chico baja, el grande sube.
Como p1=p2 (porque la
presión interna es la misma para todos los puntos)
Entonces: F1/A1 es igual
F2/A2 por lo que despejando un término se tiene que: F2=F1.(A2/A19
Principio
de Arquímedes
El principio de Arquímedes
afirma que todo cuerpo sólido sumergido total o parcialmente en un fluido
experimenta un empuje vertical y hacia arriba con una fuerza igual al peso del volumen de fluido
desalojado.
El objeto no necesariamente
ha de estar completamente sumergido en dicho fluido, ya que si el empuje que
recibe es mayor que el peso aparente del objeto, éste flotará y estará
sumergido sólo parcialmente.
Propiedades
de los fluidos
Las propiedades de un fluido
son las que definen el comportamiento y características del mismo tanto en
reposo como en movimiento.
Existen propiedades
primarias y propiedades secundarias del fluido.
Propiedades primarias o
termodinámicas:
Densidad
Presión
Temperatura
Energía interna
Entalpía
Entropía
Calores específicos
Cuando se sumerge un cuerpo
en un líquido parece que pesara menos. Lo podemos sentir cuando nos sumergimos en una piscina, o
cuando tomamos algo por debajo del agua, los objetos parecieran que pesan
menos. Esto es debido a que, todo cuerpo sumergido recibe una fuerza de abajo
hacia arriba.
Cuando en un vaso lleno de
agua sumergimos un objeto, podemos ver que el nivel del líquido sube y se
derrama cierta cantidad de líquido. Se puede decir que un cuerpo que flota
desplaza parte del agua.
El
líquido ejerce fuerza hacia arriba.
Arquímedes, quien era un
notable matemático y científico griego, se percató de estas conclusiones
mientras se bañaba en una tina, al comprobar cómo el agua se desbordaba y se
derramaba, y postuló la siguiente ley que lleva su nombre:
Principio de Arquímedes
Todo cuerpo sumergido en un
líquido recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso del líquido
desalojado.
Cuerpos sumergidos
Sobre un cuerpo sumergido
actúan dos fuerzas; su peso , que es vertical y hacia abajo y el empuje que es
vertical pero hacia arriba.
Si queremos saber si un
cuerpo flota es necesario conocer su peso específico , que es igual a su peso
dividido por su volumen .
Entonces, se pueden producir
tres casos:
1. si el peso es mayor que
el empuje (P > E), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del
cuerpo es mayor al del líquido.
2. si el peso es igual que
el empuje (P = E), el cuerpo no se hunde ni emerge. El peso específico del
cuerpo es igual al del líquido.
3. Si el peso es menor que
el empuje (P < E), el cuerpo flota. El peso específico del cuerpo es menor
al del líquido.
Cuerpos
sumergidos: tres casos.
Presión
La presión es una magnitud
física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por
unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada
fuerza resultante sobre una línea.
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