FUERZAS SOBRE SUPERFICIES SUMERGIDAS

GUIA PRACTICA Nª 1

FUERZA SOBRE SUPERFICIES SUMERGIDAS

1. OBJETIVOS.

1.1. Determinar la fuerza que se ejerce sobre las superficies que están en contacto con un fluido.

1.2. Determinar la posición del Centro de Presiones sobre una superficie plana

parcialmente sumergida en un líquido en reposo.

1.3. Determinar la posición del Centro de Presiones sobre una superficie plana,

completamente sumergida en un líquido en reposo.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO:

Empuje hidrostático: principio de Arquímedes

Los cuerpos sólidos sumergidos en un líquido experimentan un empuje hacia arriba. Este fenómeno, que es el fundamento de la flotación de los barcos, era conocido desde la más remota antigüedad, pero fue el griego Arquímedes quien indicó cuál es la magnitud de dicho empuje. De acuerdo con el principio que lleva su nombre, todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de líquido desalojado. Considérese un cuerpo en forma de paralelepípedo, las longitudes de cuyas aristas valen a. b y e metros, siendo e la correspondiente a la arista vertical. Dado que las fuerzas laterales se compensan mutuamente, sólo se considerarán las fuerzas sobre las caras horizontales. La fuerza F sobre la cara superior estará dirigida hacia abajo y de acuerdo con la ecuación fundamental de la hidrostática su magnitud se podrá escribir como:

F1 = p1S1 = (Po+ d.g.h1).S1

Siendo S1la superficie de la cara superior y h¡ su altura respecto de la superficie libre del líquido. La fuerza Fz sobre la cara inferior estará dirigida hacia arriba y, como en el caso anterior, su magnitud será dada por:

F2 =P2.S2 = (Po + d.g.h2),S2

La resultante de ambas representará la fuerza de empuje hidrostático E.

E = F2 –F1 = (Po+ d.g.h2)S2 - (Po + d.g.h1)S1

Pero, dado que S1 = S2 = S y h2= h1 + c, resulta:

E = d.g.c.S = d.g. V = m.g

Peso del cuerpo, mg

Fuerza debida a la presión sobre la base superior, p1 *A

Fuerza debida a la presión sobre la base inferior, p2*A

En el equilibrio tendremos que

mg+p1*A= p2*A

mg+ρfgx*A= ρfg(x+h)*A

o bien,

mg=p¡h*Ag

El peso del cuerpo mg es iguala la fuerza de empuje p¡h*Ag

Como vemos, la fuerza de empuje tiene su .origen en la diferencia de presión entre la parte superior y la parte inferior del cuerpo sumergida en el fluida. El principio de Arquímedes enuncian del siguiente modo.

Equilibrio de los cuerpos sumergidos.

De acuerda con el principio de Arquímedes, para que un cuerpo sumergida en un líquida esté en equilibrio, la fuerza de empuje E y el pesa P han de ser iguales en magnitudes y, además, han de aplicarse en el misma punto. En. tal caso la fuerza resultante R es cero y también la es el momento M, con la cual se dan las das condiciones de equilibrio.

La condición E = P equivale de hecha a que las densidades del cuerpo y del líquida sean iguales. En tal caso el equilibrio del cuerpo sumergido es indiferente. Si el cuerpo no es

homogéneo, el centro de gravedad no coincide con el centro geométrico, que es el punto

en donde puede considerar que se aplicada la fuerza de empuje. Ello significa que las fuerzas E Y P forman un par que hará girar el cuerpo hasta que ambas estén alineadas.

Equilibrio de los cuernos flotantes.

Si un cuerpo sumergida sale a flote es porque el empuje predomina sobre el peso (E>P).

En el equilibrio ambas fuerzas aplicadas sobre puntos diferentes estarán alineadas; tal es el caso de las embarcaciones en aguas tranquilas, par ejemplo. Si par efecto de una fuerza lateral, como la producida par un golpe del mar, el eje vertical del navío se inclinara hacia un lada, aparecerá un par de fuerzas que harán .oscilar el barco de un lada a .otro. Cuanta mayor sea el momento M del par, mayor será la estabilidad del navío, es decir, la capacidad para recuperar la verticalidad. Ello se consigue diseñando convenientemente el casco y repartiendo la carga de modo que rebaje la posición del centra de gravedad, can la que se consigue aumentar el brazo del par. Que es precisamente el valor del empuje predicho por Arquímedes en su principio, ya que V = c.S es el volumen del cuerpo, r la densidad del líquido. m = r.V la masa del liquido desalojado y finalmente m.g es el peso de un volumen de líquido igual al del cuerpo sumergido.

Resulta evidente que cada vez que un cuerpo se sumerge en un líquido es empujado de alguna manera por el fluido. A veces esa fuerza es capaz de sacarlo a flote y otras sólo logra provocar una aparente pérdida de peso. Sabemos que la presión hidrostática aumenta con la profundidad y conocemos también que se manifiesta mediante fuerzas perpendiculares a las superficies sólidas que contacta. Esas fuerzas no sólo se ejercen sobre las paredes del contenedor del líquido sino también sobre las paredes de cualquier cuerpo sumergido en él.

Fig1. Distribución de las fuerzas sobre un cuerpo sumergido

La simetría de la distribución de las fuerzas permite deducir que la resultante de todas ellas en la dirección horizontal será cero. Pero en la dirección vertical las fuerzas no se compensan: sobre la parte superior de los cuerpos actúa una fuerza neta hacia abajo, mientras que sobre la parte inferior, una fuerza neta hacia arriba. Como la presión crece con la profundidad, resulta más intensa la fuerza sobre la superficie inferior. Concluimos entonces que: sobre el cuerpo actúa una resultante vertical hacia arriba que llamamos empuje.

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES. FLOTACIÓN

Consideremos el cuerpo sumergido EHCD (fig.2), actúa sobre la cara superior la fuerza de presión Fp1, que es igual al peso del liquido representado en la figura por ABCHE,y sobre la cara inferior la fuerza de presión Fp2 igual al peso del liquido representado en la figura por ABCDE. El cuerpo esta sometido, pues a un empuje ascensional, que la resultante de las dos fuerzas.

FA = Fp2 – Fp1

pero Fp2 – Fp1 es el peso de un volumen de líquido igual al volumen del cuerpo EHCD, o sea igual al volumen del líquido desalojado por el cuerpo al sumergirse. Enunciado del principio de Arquímedes:

“Todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje ascensional igual al peso del líquido que desaloja”

Sobre el cuerpo sumergido EHCD actúa también su peso W o sea la fuerza

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