“HIDROSTÁTICA” Introducción: Mediante este trabajo se busca profundizar acerca de la hidrostática explorando áreas del conocimiento que de una u otra manera tienen que ver con el tema central como lo son los princi principio pios s de Arquímed rquímedes es y Pascal Pascal,, las defini definicio ciones nes de Presió Presión, n, olumen, !ensidad y Masa, junto con sus respectivas unidades y equiva equivalen lencia cias" s" #ambi$n mbi$n se maneja manejarán rán los aspect aspectos os de %luid %luido o y %luidez así como su respectiva comprensibilidad e incomprensibilidad" &e evidenciarán ejemplos de cada uno de las temá temáti tica cas s ante anteri riorm ormen ente te menc mencio iona nada das, s, las las fórm fórmul ulas as que que esta estas s emplean y sus distintas aplicaciones en la cotidianidad de la vida"
Objetivo General: •
#ener conocimiento acerca de lo que es la hidrostática, sus aplicaciones en la vida diaria y así mismo identificar cada uno de los conceptos con los que este tema trabaja"
Objetivos s!ec"#icos: 'nteriorizar aspectos que permiten comprender la hidrostática como como los los prin princi cipi pios os de Arquí rquíme mede des, s, Pasc Pascal al,, entr entre e otro otros s conceptos" #ener conocimiento acerca de las distintas temáticas que se trabajan en la mecánica de fluidos" (econocer cuales son las aplicaciones de la hidrostática, en que se emplea y como a sido fundamental en el desarrollo y planificación de las ideas del hombre"
$arco Teórico: Hidrostática: )a hidros hidrostát tática ica es la rama rama de la mecáni mecánica ca de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo* es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición" Fluido: &e denomina fluido a un tipo de medio continuo formado continuo formado por al+una sustancia entre cuyas mol$culas
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sólo hay una fuerza de atracción d$bil" )a propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma ori+inal -lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay fuerzas restitutivas." Fluidez: /s una característica de los líquidos o +ases que les confiere la habilidad de poder pasar por cualquier orificio o a+ujero por más peque0o que sea, siempre que est$ a un mismo o inferior nivel del recipiente en el que se encuentren -el líquido., a diferencia del restante estado de a+re+ación conocido como sólido" )a fluidez se debe a que un fluido puede adquirir una deformación arbitrariamente +rande sin necesidad de ejercer una tensión mecánica, dado que en los líquidos la tensión mecánica o presión en el seno del fluido depende esencialmente de la velocidad de la deformación no de la deformación en sí misma -a diferencia de los sólidos que tienen memoria de forma y experimentan tensiones tanto más +randes cuanto más se alejan de la forma ori+inal, es decir, en un sólido la tensión está relacionada primordialmente con el +rado de deformación." Flujo Comprensible: #odos los fluidos son compresibles, incluyendo los líquidos" 1uando estos cambios de volumen son demasiado +randes se opta por considerar el flujo como compresible -que muestran una variación si+nificativa de la densidad como resultado de fluir., esto sucede cuando la velocidad del flujo es cercano a la velocidad del sonido" )a compresibilidad de un flujo es básicamente una medida en el cambio de la densidad" Flujo Incomprensible: )a incompresibilidades una aproximación y se dice que el flujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo lar+o de todo el flujo" Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o el fluido es incompresible" /n esencia, las densidades de los líquidos son constantes y así el flujo de ellos es típicamente incompresible"
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Principio de Arquímedes: /s un principio físico que afirma que2 34n cuerpo total o parcialmente sumer+ido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba i+ual al peso del volumen del fluido que desaloja5" /sta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en ne6tons -en el &'." /l principio de Arquímedes se formula así2 !onde / es el empuje, 7f es la densidad del fluido, el 3volumen de fluido desplazado5 por al+8n cuerpo sumer+ido parcial o totalmente en el mismo, + la aceleración de la +ravedad y m la masa" !e este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la +ravedad existente en ese lu+ar" /l empuje -en condiciones normales y descrito de modo simplificado. act8a verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de +ravedad del cuerpo* este punto recibe el nombre de centro de carena"
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Principio de Pascal: /s una ley enunciada por el físico9 matemático franc$s :laise Pascal -;<=>9;<<=. que se resume en la frase2 la presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con i+ual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido"
!onde %; y %= corresponden a fuerzas aplicadas y A; y A= son las áreas de dicho sistema" •
Masa: /s una ma+nitud que expresa la cantidad de materia de un cuerpo, medida por la inercia de este, que determina la aceleración producida por una fuerza que act8a sobre $l" /s una propiedad extrínseca de los cuerpos que determina la medida de la masa inercial y de la masa +ravitacional" )a unidad utilizada para medir la masa en
el &istema 'nternacional de 4nidades es el ?ilo+ramo -?+." /s una ma+nitud escalar " •
Volumen: /s una ma+nitud m$trica de tipo escalar definida como la extensión en tres dimensiones de una re+ión del espacio" /s una ma+nitud derivada de la lon+itud, ya que se halla multiplicando la lon+itud, el ancho y la altura" Matemáticamente el volumen es definible no sólo en cualquier espacio euclídeo, sino tambi$n en otro tipo de espacios m$tricos que incluyen por ejemplo a las variedades de (iemann" !esde un punto de vista físico, los cuerpos materiales ocupan un volumen por el hecho de ser extensos, fenómeno que se debe al principio de exclusión de Pauli" )a noción de volumen es más complicada que la de superficie y en su uso formal puede dar lu+ar a la llamada paradoja de :anach9#ars?i" )a unidad de medida de volumen en el &istema 'nternacional de 4nidades es el metro c8bico" Para medir la capacidad se utiliza el litro" Por razones históricas, existen unidades separadas para ambas, sin embar+o están relacionadas por la equivalencia entre el litro y el decímetro c8bico2
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Densidad: A densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa" Así, como en el &istema 'nternacional, la masa se mide en ?ilo+ramos -?+. y el volumen en metros c8bicos -m >. la densidad se medirá en ?ilo+ramos por metro c8bico -?+@m >." )a mayoría de las sustancias tienen densidades similares a las del a+ua por lo que, de usar esta unidad, se estarían usando siempre n8meros muy +randes" Para evitarlo, se suele emplear otra unidad de medida el +ramo por centímetro c8bico -+r@cm>." )a densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor .
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Presin: /s una ma+nitud 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" /n el &istema 'nternacional de 4nidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal -Pa. que es equivalente a una fuerza total de un ne6ton -. actuando uniformemente en un metro cuadrado -mB." /n el &istema 'n+l$s la presión se mide en libra por pul+ada cuadrada -pound per square inch o psi. que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pul+ada cuadrada" !ensin "uper#icial 2 /s el fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una del+ada película elástica" /ste efecto permite a al+unos insectos, desplazarse por la superficie del a+ua sin hundirse" )a tensión superficial es una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos que se manifiesta por una curvatura en los bordes donde el líquido está en contacto con la pared del recipiente A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada mol$cula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie" Así, en el seno de un líquido cada mol$cula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan" /sto permite que la mol$cula ten+a una ener+ía bastante baja" &in embar+o, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido" (i+urosamente, si en el exterior del líquido se tiene un +as, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la +ran diferencia de densidades entre el líquido y el +as" )a tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del líquido a disminuir en lo posible su superficie para un volumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de +ravedad adopte la forma esf$rica, que es la que tiene menor relación área@volumen"
/ner+$ticamente, las mol$culas situadas en la superficie tiene una mayor ener+ía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será a disminuir la ener+ía total, y ello se lo+ra disminuyendo el n8mero de mol$culas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible" •
Presin atmos#$rica: /s la fuerza por unidad de área que ejerce el aire sobre la superficie terrestre" )a presión atmosf$rica en un punto coincide num$ricamente con el peso de una columna estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el límite superior de la atmósfera" 1omo la densidad del aire disminuye conforme aumenta la altura, no se puede calcular ese peso a menos que seamos capaces de expresar la variación de la densidad del aire en función de la altitud o de la presión, por lo que no resulta fácil hacer un cálculo exacto de la presión atmosf$rica sobre un lu+ar de la superficie terrestre" Además tanto la temperatura como la presión del aire están variando continuamente, en una escala temporal como espacial, dificultando el cálculo" &e puede obtener una medida de la presión atmosf$rica en un lu+ar determinado pero de ella no se pueden sacar muchas conclusiones* sin embar+o, la variación de dicha presión a lo lar+o del tiempo permite obtener una información 8til que, unida a otros datos meteoroló+icos -temperatura atmosf$rica, humedad y vientos., puede dar una ima+en bastante acertada del tiempo atmosf$rico en dicho lu+ar e incluso un pronóstico a corto plazo del mismo" )a presión atmosf$rica en un lu+ar determinado experimenta variaciones asociadas con los cambios meteoroló+icos" Por otra parte, en un lu+ar determinado, la presión atmosf$rica disminuye con la altitud, como se ha dicho" )a presión atmosf$rica decrece a razón de ; mmC+ o #orr por cada ;D m de elevación en los niveles próximos al del mar" /n la práctica se utilizan unos instrumentos, llamados altímetros, que son simples barómetros aneroides calibrados en alturas* estos instrumentos no son muy precisos"
$edición de la %resión:
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%&perimento de !orricelli: #orricelli llenó de mercurio un tubo de ; metro de lar+o, -cerrado por uno de los extremos. y lo invirtió sobre una cubeta llena de mercurio, de inmediato la columna de mercurio bajó varios centímetros, permaneciendo estática a unos E< cm -E mbar o hPa ; mbar o hPa F D,EGD=H
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!ubo en '():
A!licaciones:
A lo lar+o del desarrollo de la humanidad, al+unas tácticas poco a poco han ido evolucionando, este es el caso de la Cidrostática, la cual permite emplear nuevas t$cnicas para la realización de distintas actividades de manera más sencilla haciendo uso de la física de por medio" Al+unos ejemplos de sus aplicaciones son2
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Prensa Hidráulica: )a prensa hidráulica es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferentes áreas que, mediante una peque0a fuerza sobre el pistón de menor área, permite obtener una fuerza mayor en el pistón de mayor área" )os pistones son llamados pistones de a+ua, ya que son hidráulicos" /stos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores"
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*ato Hidráulico: /l dispositivo, en su forma más sencilla, tiene dos $mbolos dispuestos en forma de 4, uno de sección muy peque0a -en el que se aplica la presión al fluido mediante una palanca o una bomba., y el otro de sección muy +rande -donde se coloca la car+a que se quiere elevar." )a clave del funcionamiento son las válvulas unidireccionales, que permiten el paso del fluido en un solo sentido" Así, cuando se acciona el $mbolo peque0o, una válvula permite el paso del fluido hacia el $mbolo mayor, pero no su retorno" !e i+ual forma, una se+unda válvula permite la entrada del fluido desde un depósito hacia el $mbolo peque0o cuando se alza la palanca, quedando listo el dispositivo para un nuevo ciclo de impulsión" Direccin Hidráulica: )a dirección hidráulica utiliza ener+ía hidráulica para +enerar la asistencia" Para ello utiliza una bomba hidráulica conectada al motor" )o habitual es que est$ acoplada directamente mediante una correa" /l funcionamiento puede variar dependiendo del fabricante, pero el modelo más +eneral aprovecha la propia cremallera como pistón hidráulico para +enerar la asistencia" !e esta forma, cuando el conductor +ira el volante el sensor hidráulico permite el paso del fluido hacia uno de los lados del pistón, aumentando la presión en ese lado y haciendo que la
cremallera se desplace axialmente hacia el lado al que el conductor +ira el volante" 4na vez que el conductor deja de +irar el volante, la presión se i+uala y la cremallera queda en su posición ori+inal " •
Freno Hidráulico: /s el que aprovecha la acción multiplicadora del esfuerzo ejercido sobre un líquido oleoso incompresible" )a presión que se ejerce sobre un pistón que act8a sobre el líquido es transmitida a otros pistones que accionan los frenos, con lo cual se lo+ra la misma presión de frenado en los distintos elementos de fricción y se evita la necesidad de realizar diferentes ajustes"
Conclusión: Pudimos evidenciar como la Cidrostática se encuentra presente en la cotidianidad de nuestra vida, desde aspectos tan sencillos como la conducción o cambiar un neumático hasta a cosas más complejas de manejar como una prensa hidráulica" Para comprender su funcionamiento y aplicación, fue necesario profundizar varios subtemas que se emplean en esta temática tan amplia, teniendo en cuenta aspectos sumamente importantes como lo son las distintas unidades que se deben manejar, las equivalencias y cada una de las fórmulas que estos temas manejan"
