Estatica De Fluidos

ESTÁTICA DE FLUIDOS

INTRODUCCION

Puesto que gran parte de la materia se encuentra en estado de Fluido, el estudio de su comportamiento es de gran importancia para desarrollos de usos tecnológicos y aspectos de la vida cotidiana.

Por medio de la aplicabilidad de las leyes que rigen el comportamiento de los Fluidos en reposo se pueden explicar todo un conjunto de fenómenos conocidos.

• Usando el concepto de presión de un fluido se puede entender la presión dentro de un avión y el uso del traje de los cosmonautas.

• Por medio de la variación de la presión con la profundidad se puede entender el dolor de oídos que se siente cuando uno se sumerge en el agua, la estructura de los silos, la estructura de las represas hidráulicas.

• El comportamiento de los vasos comunicantes es de utilidad en procesos de nivelación en albañilería y en la ubicación de tanques de abastecimiento de agua.

• A través de la aplicación del principio de Arquímedes se pueden entender la flotación de los barcos, el ascenso de globos aeroestáticos, el ascenso y descenso de los submarinos, la flotación de un iceberg.

• El principio de Pascal se utiliza en la construcción de las prensas hidráulicas y los frenos hidráulicos.

DEFINICIÓN

La estática de fluidos estudia el equilibrio de gases y líquidos. A partir de los conceptos de densidad y de presión se obtiene la ecuación fundamental de la hidrostática, de la cual el principio de Pascal y el de Arquímedes pueden considerarse consecuencias. El hecho de que los gases, a diferencia de los líquidos, puedan comprimirse hace que el estudio de ambos tipos de fluidos tengan algunas características diferentes. En la atmósfera se dan los fenómenos de presión y de empuje que pueden ser estudiados de acuerdo con los principios de la estática de gases.

Se entiende por fluido un estado de la materia en el que la forma de los cuerpos no es constante, sino que se adapta a la del recipiente que los contiene. La materia fluida puede ser trasvasada de un recipiente a otro, es decir, tiene la capacidad de fluir. Los líquidos y los gases corresponden a dos tipos diferentes de fluidos. Los primeros tienen un volumen constante que no puede mortificarse apreciablemente por compresión. Se dice por ello que son fluidos incompresibles. Los segundos no tienen un volumen propio, sino que ocupan el del recipiente que los contiene; son fluidos compresibles porque, a diferencia de los líquidos, sí pueden ser comprimidos.

El estudio de los fluidos en equilibrio constituye el objeto de la estática de fluidos, una parte de la física que comprende la hidrostática o estudio de los líquidos en equilibrio, y la aerostática o estudio de los gases en equilibrio y en particular del aire.

PRESION Y DENSIDAD

1. Presión en Fluidos

Un fluido en reposo no puede resistir fuerzas tangenciales, pues las capas del fluido resbalarían una sobre la otra cuando se aplica una fuerza en esa dirección. Precisamente esta incapacidad de resistir fuerzas tangenciales (esfuerzos de corte) es lo que le da la propiedad de cambiar de forma o sea fluir.

En las fig.1 se muestra la fuerza tangencial que ejerce la mano sobre la cubierta de un libro y en la fig.2 la forma que las hojas que lo conforman se desplazan. Ese comportamiento es similar al que se produce en un fluido al ejercer una fuerza tangencial a su superficie.

FIGURA 1 FIGURA 2

Por lo tanto sobre un fluido en reposo sólo pueden actuar fuerzas perpendiculares.

Tenemos que las paredes del recipiente que contiene un fluido en reposo, actúan sobre éste con fuerzas perpendiculares a la superficie de contacto, de igual manera el fluido actúa sobre las paredes del recipiente con una fuerza de igual magnitud y de sentido contrario (Tercera Ley de Newton).

Para estudias la fuerza que un fluido ejerce sobre una superficie en contacto con él, se define la presión P como la magnitud de la fuerza normal por unidad de área de superficie.

Consideremos una superficie cerrada que contiene un fluido.

Sea el vector que se muestra en la siguiente fig.

Este es un vector que tiene una magnitud que es el área del elemento , su dirección es perpendicular a la superficie y su sentido es saliente de una superficie cerrada.

Podemos entonces escribir la fuera con que el fluido actúa sobre el elemento de superficie como:

A partir de la definición de presión tenemos para la presión en un punto

2. Presión Atmosférica

Vivimos rodeados de una capa de aire, denominada atmosfera, que ejerce una presión sobre los cuerpos y objetos. Esta presión no la percibimos debido a que nuestro cuerpo está compuesto fundamentalmente por fluidos que ejercen una presión compensadora.

A la presión ejercida por el aire que conforma la atmósfera se le denomina presión atmosférica.

La presión atmosférica no es solamente algo propio de la Tierra, existe en todos aquellos planetas que tienen una capa de aire que los rodee o sea que poseen atmósfera, su valor varía de un planeta a otro.

La Luna tiene una atmósfera tan tenue que podría considerarse nula.

La atmósfera de la Luna es insignificante, casi nula, debido a que su fuerza de gravedad es tan débil (6 veces menor que en la Tierra) que no puede mantener casi ningún gas sobre su superficie. El programa Apollo identificó átomos de helio y argón, y en 1988, observaciones desde la Tierra añadieron iones de sodio y potasio.

La presión atmosférica en Venus es aproximadamente 9 veces mayor que la de la Tierra.

3. Presión Nula (vacío)

Un volumen que esté vacío de aire tiene una presión nula. En ese caso se trata de un vacío total. Esta situación física se encuentra en el espacio interestelar.

Se puede disminuir la presión de aire confinado por medio de algunos de los siguientes mecanismos:

1) Disminuyendo su temperatura.

2) Aumentando su volumen.

3) Extrayendo aire del volumen que lo contiene.

En base al método 3 se pueden obtener bajas presiones o sea vacíos parciales. Para extraer el aire se pueden utilizar bombas de succión. También se puede extraer aire de un envase calentándolo y permitiendo que el aire se expanda y salga parte de él del envase que lo contiene. Al cerrar el envase y dejar volver a la temperatura original, la presión será menor que la presión atmosférica.

4. Unidades de presión

La presión se mide en las siguientes unidades:

1) Atm

2) mm de Hg

3) Torr

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