MARCO TEORICO: FLUIDOS EN REPOSO La rama de la física que estudia los fluidos, recibe el nombre de mecánica de los fluidos la cual a su vez, tiene varias clasificaciones, una de ellas: * Hidrostatica: Orienta su atención a los fluidos en equilibrio, o sea fluidos en reposo. Los fluidos en reposo son sustancias en las que no existen fuerzas que alteren su movimiento o posición. Característica: La fuerza ejercida sobre cualquier partícula del fluido es la misma en todas las direcciones. Si las fuerzas fueras desiguales, la partícula se desplazaría en la dirección de la fuerza resultante. Propiedades de los fluidos en reposo La Densidad Esta se define como el cociente de entre la masa y volumen de una sustancia. Es decir: p=m/v La unidad de medida es el kilogramo por metro cubico (1kg/) aunque generalmente se expresa en el sistema cgs en gramos por centímetro cubico (1 g/) Densidad relativa: y = mg/v = (m/v)g = pg La Presión La presión (P) es la relación entre la fuerza perpendicular (F) ejercida sobre la superficie y el área (A) de la misma P=F/A Fuerza = Newton (N) Área = Metros cuadrados () Presión = Newton por metro al cuadrado (N/ ) (N/ ) = Pascal (Pa)
La presión en los líquidos
La presión en un punto del interior de un liquido en reposo es proporcional a la profundidad h
Si se consideran dos líquidos diferentes, a la misma profundidad, la presión es mayor cuando el liquido es más denso La presión no depende del área del recipiente y, en consecuencia, no depende del volumen del liquido contenido
Ecuación fundamental de la hidrostática: P1-P2 = p.g(h1-h2) Esta igualdad muestra que:
La diferencia de presión entre dos puntos de un fluido en reposo depende de la diferencia de alturas y Además , si los puntos están en la misma profundidad en el interior del liquido, soportan la misma presión independientemente de la forma del recipiente Principio de Pascal
Si aplicamos una presión extra a cualquier punto de un fluido en reposo, esta presión se transmitirá exactamente igual a todos los puntos del fluido. Ejemplo: si presionamos con las manos la superficie de un globo lleno de aire, cualquier sector dentro del fluido experimentara el mismo aumento de presión. Principio de Arquímedes Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical, hacia arriba, que mide igual al peso del volumen del líquido desplazado. Para determinar una expresión para la fuerza de empuje, supongamos que un sólido se encuentra sumergido dentro de un líquido cuya densidad es , como lo muestra la siguiente figura. La cara superior del cilindro, que se encuentra a una profundidad , experimenta una fuerza ejercida sobre la superficie A. Esto se expresa como: P1 = p1 . g . h1 Como = /A entonces F1 = P1 . A F1 = p1 . g . h1 . A
MANOMETRO Un manómetro es un instrumento de medida de la presión en fluidos (líquidos y gases) en circuitos cerrados. Miden la diferencia entre la presión real o absoluta y lapresión atmosférica, llamándose a este valor, presión manométrica. A este tipo de manómetros se les conoce también como "Manómetros de Presión". Lo que realmente hacen es comparar la presión atmosférica (la de fuera, la atmósfera) con la de dentro del circuito por donde circula al fluido. Por eso se dice que los manómetros miden la presión relativa. La presión manométrica es la presión relativa a la presión atmosférica. La presión manométrica es positivo para presiones por encima de la presión atmosférica, y negativa para presiones por debajo de ella. La presión absoluta es la suma de presión manométrica y presión atmosférica. Recuerda que la presión se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. P = F/S. Como ves en esta última imagen podemos tener manómetros que nos midan la presión absoluta y la diferencial (diferencia entre dos presiones), pero los más utilizados son los que miden la presión manométrica, es decir la relativa a la presión atmosférica. Los aparatos que miden la presión atmosférica son los barómetros,no confundirlos con los manómetros que se usan en la industria en los circuitos neumáticos e hidráulicos generalmente. Hay unos manómetros llamados Detectores de Vacío que son sensores calibrados para ser utilizados para medir la presión inferior a la presión atmosférica dentro de un sistema, incluso para la presión de vacío en el interior. Son muy utilizados en la fabricación de alimentos enlatados, detectando cuando se ha hecho el vacío dentro de la lata de comida. Las unidades de presión son muy variadas. En el Sistema Internacional de unidades es el Pascal (Pa), en química se usa el mm de Hg, al que se llama también torr (en honor a Torricelli) y la atmósfera (atm). El problema del Pascal es que es una unidad muy pequeña para los valores habituales de presión en los fluidos, es por eso que se utilizan otras. 1atm = 101.300 Pa 1bar = 100.00 Pa En la industria se usa el kp/cm2. Cuando alguien dice que la presión de un neumático es de "2 kilos" se está refiriendo a esta unidad, el kp/cm2, (kp/cm2 = 98.000 Pa). Esta forma de expresar la presión es incorrecta, pero casi todo el mundo la usa en la industria. ¿Cómo Funcionan un Manómetro? Los manómetros industriales suelen tener una escala graduada que mide la presión, normalmente, en bares, pascales o en psi (fuerza por pulgada cuadrada). Todos los manómetros de presión tienen un elemento que cambia alguna propiedad cuando son sometidos a la presión. Este cambio se manifiesta en una escala o pantalla calibrada directamente en las unidades de presión correspondientes. La aguja nos mide la presión en el interior del circuito.
Como ves en el ejemplo de la imagen hay dos escalas, la de arriba nos marca los bares y la de abajo los psi. En la escala tenemos colores para identificar franjas de presión, por ejemplo el color rojo peligrosa por ser muy alta. Algo muy importante a la hora de utilizar un manómetro de presión es su exactitud o precisión. La exactitud se define como la diferencia máxima (error) entre el valor verdadero y el valor indicado por el manómetro expresado como porcentaje. La precisión del manómetro está estrechamente relacionada con su precio. Las aplicaciones que requieren lecturas menos precisas, pueden utilizar una precisión de "3-2-3", que significa que los indicadores tienen una precisión de más o menos 3% en el tercer y último tercio inferior de su rango de medición (escala), y dentro de 2% en el tercio medio. Hay manómetros que pueden ser tan precisos y llegar al 0,25%. El símbolo que se utiliza en los circuitos para el manómetro depende del tipo. Aquí vemos los 3 utilizados. El primero es el manómetro en general, el segundo es un manómetro diferencial que sirve para medir la diferencia de presión entre dos puntos y el tercero vale para cualquier medidor de presión. Los medidores de presión o manómetros son ampliamente utilizados en todo el mundo para tareas que van desde el control de la presión de los neumáticos en un coche antes de un viaje a la vigilancia de la presión de varios sistemas dentro de una planta de energía nuclear. Otros usos pueden ser el control de presión en un circuito neumático o hidráulico, el control de la presión del líquido de frenos en un coche, en los sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado y de refrigeración. Ser capaz de controlar la presión en estos sistemas puede ser muy importante, ya que permite a las personas identificar potenciales amenazas de seguridad tales como presiones altamente peligrosas, junto con los fallos del sistema por baja presión. Muchos manómetros de presión son automáticos, apagando el sistema de control que controlan cuando la presión puede llegar a ser peligrosa para el circuito. Tipos de Manómetros 1. Los que equilibran la presión desconocida con otra que se conoce. A este tipo pertenece el manómetro de vidrio en U, en el que la presión se determina midiendo la diferencia en el nivel del líquido de las dos ramas. 2. Los que la presión desconocida actúa sobre un material elástico que produce el movimiento utilizado para poder medir la presión. A este tipo de manómetro pertenece el manómetro de tubo de Bourdon, el de pistón, el de diafragma, etc. 3. Manómetros Digitales: Están dirigidos por un microprocesador y garantizan alta precisión y fiabilidad. Un display marca directamente la presión del fluido en pantalla.
UNIDADES DE PRESIÓN Como no resulta sencillo aplicar la definición de presión de forma directa, en muchas ocasiones se recurre a medir la presión de un gas de manera indirecta comparándola con la presión de un líquido. La presión de una columna de líquido depende solamente de su altura y de su densidad (para una aceleración de la gravedad constante). La fuerza que ejerce una columna de liquido sobre su base de superficie A es la fuerza producida por su peso W. Éste, a su vez, es el producto de su masa (m) por la aceleración de la gravedad (g). La masa es el producto del volumen (V) por la densidad (d) y el volumen es el resultado de multiplicar el área de la base por la altura (h). Por lo tanto tenemos: p = F/A = W/A = g*m/A = g*V*d/A = g*h*A*d/A = g*h*d . En el sistema internacional (SI) la unidad de fuerza es el Newton y la superficie se expresa en metros cuadrados la unidad de presión será: p = F/A = 1 newton/1 metro cuadrado = 1 Pascal 1 Pa =1N/m2 El Pa es una unidad de presión bastante pequeña por lo cual para los valores que utilizamos en Biología se emplea un múltiplo el kilopascal (kPa) que es mil veces mayor. Debido a que la presión se mide muchas veces en relación con la de un líquido no es de extrañar que las unidades de presión que todavía se emplean con frecuencia, a pesar de la recomendación en favor del SI, sean medidas de longitud de líquidos ya que siendo constante la gravedad y la densidad del liquido utilizado, la presión depende solo de la altura de la columna de liquido. Dentro de estas tenemos dos, una de utilización frecuente en el lado arterial del sistema cardiovascular, el milímetro de mercurio, la otra se utiliza para presiones en la parte venosa de la circulación general y en las presiones dentro del sistema respiratorio, el centímetro de agua. mm de Hg es la presión que ejerce una columna de mercurio (densidad a 0º 13,595 g/cm 3) de 1 mm de altura para una aceleración de la gravedad de 9,80665 ms -2 En honor de Torricelli se denomina torr. cm de H2O es la presión que ejerce una columna de agua (densidad a 0º 1 g/cm3) de 1cm de altura. Equivale en mm de Hg a algo menos de un torr:: g*h*13,595=g*10*1 h=10/13,595= 0,736 mm Si consideramos que la presión de un gas con la que convivimos desde que nacemos es la presión que ejerce el aire (es una mezcla de gases) sobre nosotros no es de extrañar que una buena parte de las medidas de presión se relacionen con la atmósfera. En el siglo XVII Torricelli descubrió que si llenaba un tubo de mercurio y tapando el extremo abierto lo introducía en una cuba con mercurio, al destapar dicho extremo el nivel de mercurio
descendía pero sólo hasta determinada altura y luego se mantenía a ese nivel. La explicación de porqué se mantiene así es que el aire ejerce una presión sobre la cubeta que se transmite a todo el mercurio pero como en el espacio por encima del tubo no hay aire en esa zona no ejerce efecto la presión atmosférica y por ello empuja al mercurio hasta que su altura equilibra a la presión. El instrumento que permite, por lo tanto, medir la presión atmosférica se denomina barómetro de mercurio. atmósfera estándar. La presión atmosférica varia con las condiciones meteorológicas y con la altitud. La atmósfera estándar es la presión que ejerce una columna de mercurio con una altura de 760 mm (densidad 13,5951 g/cm3 a 0ºC, g=9,80665 ms-2 es decir a 45º de latitud y al nivel del mar). La relación entre una atmósfera de presión y la unidad del SI, el pascal es: 1 atm = 760 mmHg = 0,76 m *13.595 kg m-3 * 9,80665 ms-2 = 101325 Pa =101,325 kPa 1 mm Hg = 101325/760 = 133,3 Pa bar El bar es un múltiplo del Pa, equivale a 100 kPa. Se utiliza un submúltiplo del bar el mbar, que equivale a 100 Pa (es decir, un hectopascal hPa). Se emplea en meteorología. La presión de una atmósfera corresponde por lo tanto a 101325/100 = 1013,25 mb. El bar equivale a 750 mmHg, 10,197 mH2O y 0,987 atm
