Fisica Aplicada

FUERZAS Y PRESIONES

Definiciones básicas:

Densidad: Se entiende como densidad a la masa contenida en la unidad de volumen. En el

SI se representa por Kg/m . La densidad es una magnitud derivada escalar.

Peso específico: Es la fuerza con la que la Tierra atrae a los cuerpos. Se obtiene del

producto de la masa del cuerpo por g (9,8 m/s ). F= m a

Presión: Es la fuerza ejercida por unidad de superficie de un cuerpo. P= F / s

Unidades

Sistema Densidad Peso específico Presión

Cegesimal g/cm Dinas (g 9,8 m/s ) Baria (Dinas/cm )

Internacional Kg/m Newtons (Kg 9,8 m/s ) Pascal (N/m )

Técnico UTM/m Kilopondios

(UTM 9,8 m/s ) Kilopondio/m

Aparte de las ya enunciadas, hay unidades de presión de uso común, cuyas equivalencias son aproximadamente las siguientes:

1 milibar = 100 Pascal Utilizadas en el ámbito meteorológico.

1 atmósfera física = 101300 Pascal

1 atmósfera técnica = 9,8 N Empleada en la medición de presiones de aire

y agua en recintos cerrados.

Fuerzas y presiones:

• Originadas en sólidos:

Debido a su estructura de sus partículas (fuertemente unidas y con una distribución regular), los sólidos poseen una forma y volumen fijos. Esto hace que en su interior sólo sea apreciable la atracción que la Tierra ejerce sobre él; es decir, su propio peso. Debido a su rigidez estructural, las fuerzas aplicadas a un sólido se trasmiten por él en su totalidad.

Lógicamente estas fuerzas no podrán nunca superar el límite de la rigidez estructural de ese cuerpo, ya que si no se rompería.

Fuerzas y presiones (continuación):

• Originadas en líquidos:

Los líquidos poseen un volumen fijo, aunque su forma se adapta a la del recipiente que los contenga. El interior de un líquido ejerce fuerzas que actúan en todas direcciones y que son perpendiculares a la superficie interior del recipiente que lo contiene.

Cuanto mayor sea la profundidad de un punto en un líquido, mayor será la fuerza que ejercerá, debido a que tendrá un mayor peso sobre él. Estas fuerzas siempre se ejercen desde el interior del líquido hacia las paredes del recipiente, por lo que a la misma profundidad, las fuerzas que ejerce el líquido son de igual intensidad, pero de sentido opuesto. Estas fuerzas dependen de la profundidad del punto, pero son independientes de la forma del recipiente.

• Originadas en gases:

Las partículas de los gases tienden a ocupar todo el volumen del recinto que las contiene. Las fuerzas ejercidas por los gases están provocadas por el constante y caótico movimiento de sus partículas, que chocan unas contra otras, por lo que ejercen fuerzas contra las paredes del recinto. Cuanta mayor distancia haya entre estas partículas, menor es la fuerza que pueden ejercer, por lo que el tamaño del recinto donde se encuentre el gas es inversamente proporcional a la fuerza ejercida por éste.

Fluidos:

La estructura molecular de líquidos y gases hace que sean considerados fluidos, ya que pueden fluir con facilidad, en tanto que los sólidos no pueden, condicionados por su estructura.

• Equilibrio de los sólidos en el seno de los fluidos:

Un cuerpo sumergido en un fluido se ve sometido a fuerzas opuestas y de igual intensidad que se contrarrestan y son perpendiculares a su superficie. La intensidad de estas fuerzas aumenta con la profundidad. Por los tanto, sobre un cuerpo sumergido en un fluido actúan dos fuerzas: el peso, que ejerce la Tierra, y el empuje, que ejerce el propio fluido. Ambas fuerzas actúan en dirección vertical pero en sentidos contrarios.

Fluidos (continuación):

El peso actúa hacia abajo y el empuje hacia arriba. Si tanto el cuerpo sumergido como el fluido son homogéneos, el punto donde se aplican estas dos fuerzas en el cuerpo sumergido es el mismo. El centro de gravedad (punto donde se aplica el peso) y centro de empuje coinciden.

En este caso hay tres posibilidades:

• Si el peso del cuerpo es mayor que la fuerza de empuje del fluido, éste se hundirá.

2. Si el peso del cuerpo es igual a la fuerza de empuje del fluido, éste quedará en equilibrio en el interior del fluido.

• Si el peso del cuerpo es inferior a la fuerza de empuje del líquido, el cuerpo subirá hacia la superficie del fluido.

Algo parecido ocurre en el caso de la relación de las densidades entre el cuerpo y el fluido. Aquí también caben tres posibilidades (asimismo suponiendo que tanto sólido como fluido sean homogéneos):

• Si la densidad del sólido es mayor que la del fluido, el cuerpo se hundirá.

• Si la densidad de ambos es la misma, el cuerpo permanecerá en equilibrio en el interior

del fluido.

• Si la densidad del cuerpo es menor que la del fluido, el sólido ascenderá hacia la superficie de éste.

En caso de que el sólido sea heterogéneo, el centro de empuje y el de gravedad no coinciden. Por tanto, para que haya equilibrio, las fuerzas de peso y empuje, aparte de igualarse, deben de estar en la misma dirección.

• Condiciones de equilibrio:

• La resultante de las fuerzas de peso y empuje debe ser nula.

• Los centros de gravedad y empuje han de estar en la misma vertical.

- Hay tres tipos de equilibrio:

• Estable: El centro de gravedad está por debajo del de empuje. Las fuerzas de empuje y peso son iguales y ambas están en la misma vertical. Los desplazamientos leves no afectan su posición de equilibrio.

• Indiferente: Ambas fuerzas coinciden en el mismo punto. El cuerpo estará en equili-

brio en cualquier posición.

3. Inestable: Las fuerzas son iguales, pero no están en la vertical del peso, o incluso el

centro de empuje está por encima del de gravedad. Esto puede hacer que el cuerpo gire, buscando su posición de equilibrio. Esta rotación se causa al estar las dos fuerzas paralelas en sentido opuesto y en distintas verticales.

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Fluidos (continuación):

• Equilibrio de los cuerpos flotantes:

Cuando un cuerpo flota quiere decir que la fuerza de empuje del fluido es superior al peso del cuerpo. En esta situación, parte del cuerpo queda sumergido y el resto está por encima de la superficie del fluido. Esto quiere decir que el cuerpo desaloja una cantidad de fluido igual a su volumen sumergido.

En un cuerpo flotante, la fuerza de empuje es igual al peso del cuerpo e igual al volumen de fluido desalojado. El empuje disminuye al subir el cuerpo, ya que el volumen de fluido desalo- jado por un cuerpo flotante es inferior al del cuerpo inmerso en el fluido.

El equilibrio de los cuerpos flotantes se rige por los mismo

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