En esta clase de Física para estudiantes de escuelas secundarias continuaremos con la primer parte de Fluidos.
Principio de Pascal
La presión aplicada a un punto de un fluido estático e incompresible encerrado en un recipiente se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido.
Si ejerces una fuerza F exterior sobre un émbolo de sección S, se origina una presión en toda la masa líquida.
La presión es una magnigud escalar, no tiene dirección definida, pero la fuerza interior qeu origina es un vector perpendicular a la superficie sobre la que actúa. Por lo tanto, dentro de una esfera es perpendicular en cada punto a la superficie interior.
El corro de líquido no sale con más fuerza por el agujero inferior, como podría pensarse al empujar la fuerza externa el émbolo en esa dirección. Sino que sale por todos los orificios con igual velocidad.
Aplicación del Principio de Pascal: Prensa hidráulica
El "gato hidráulico" empleado para elevar coches en los talleres es una prensa hidráulca. Es un depósito con dos émbolos de distintas superficies, s1 y s2 conectados a él. La presión ejercida por el émbolo al presionar en la superficie del líquido se transmite íntegramente a todo el líquido. La presión es la misma en los puntos próximos a los dos émbolos. P1=P2
La fuerza F1 aplicada en el émbolo pequeño se amplifica en un actor amplificador k. Además de amplificar el valor de F1 cambia su dirección de utilización, pues F2 estará donde conectemos al depósito el segundo émbolo.
Aplicación del P. de Pascal: Frenos hidráulicos.
Los frenos hidráulicos son una aplicación del principio de Pascal.
Al pisar el freno ejercemos una fuerza con el pié en el pedal, que la transmite a un émbolo de superficie pequeña que se mueve dentro de un pistón. Esa fuerza crea una presión en el interior del líquido de frenos. El fluido transmite la presión casi instantáneamente en todas direcciones.
Al tener colocado otro pistón con su émbolo en el otro extremo del circuito hidráulico y, según la relación entre las secciones de los émbolos, la fuerza aplicada será amplificada en ese punto.
Hagamos un ejercicio juntos:
Una prensa hidráulica tiene dos émbolos de 50cm² y 250cm². Se coloca sobre el émbolo pequeño una masa de 100kg. A)¿Qué fuerza se ejercerá sobre el mayor? B)¿Cuánto vale el factor amplificador de la prensa?
Primero calculamos el peso de la masa de 100kg multiplicándola por la gravedad:
Ahora calculamos la fuerza 2 despejandola de la formula dada, no cambiamos las unidades de las superficies porque se cancelan:
Y ahora, calculamos el factor amplificador K, la cual no tiene unidad:
Principio de Arquímedes: Empuje
Arquímedes descubrió que el empuje es el peso del fluido desalojado.
Todo cuerpo sumergido en un fluido subre una fuerza vertical y hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja la parte sumergida del cuerpo.
Si el fluido es agua:
(si el fluido no es agua, entonces sería la masa desalojada de ese fluido)
Como la masa desalojada es igual al volumen sumergido del cuerpo por la densidad:
Por lo tanto:
Al introducir un cuerpo en un fluido se produce el estado de equilibro cuando el empuje iguala al peso. Según sean las densidades del cuerpo y del fluido en el que se sumerge se pueden originar los siguientes casos:
- Si dc(densidad del cuerpo)> df (densidad del fluido), el peso es mayor que el empuje máximo. El cuerpo se va al fondo. No produce equilibrio.
- Si dc=df, el peso es igual al empuje máximo. El cuerpo queda sumergido y en equilibrio entre dos aguas.
- Si dc<df, el peso del cuerpo es menor que el empuje máximo y no se sumerge todo el cuerpo. Sólo permanece sumergida la parte de él que provoca un empuje igual a su peso. Este estado de equilibrio se llama flotación.
Hagamos un ejercicio juntos:
Un cubo de aluminio de 3cm de arista y densidad 2.7g/ml se sumerge en agua. A) ¿Qué masa tiene el cubo? B)¿Qué volumen desaloja? C)¿Qué masa desaloja? D)¿Cuánto pesa el agua desalojada?
Primero calculamos el volumen del cubo, haciendo el cubo de la arista, para ver cuanto volumen desaloja(B)
Para saber que masa desaloja, multiplicamos su volumen por la densidad del fluido sobre el que esta apoyado, en este caso, agua:
Ahora, para calcular cuanto pesa el agua debemos multiplicar su masa por la gravedad, pero como N=kg.m/s², lo primero que hay que hacer es pasar los 27g a kg:
Ahora si, podemos calcular el peso del agua:
Para saber que masa tiene el cubo (A) multiplicamos su volumen (B) por su densidad:
EJERCICIOS DE PRÁCTICA:
- Halla el valor en pascales de las siguientes medidas de presión: 2.2 kp/cm², 2atm y 1200mb.
- ¿Qué presión ejercerá sobre el suelo un bloque cúbico de piedra de 0.5m de lado y que pesa una tonelada?
- Un cuerpo de masa 40g y volumen 160cm³ flota en agua. Calcular: a) El peso del cuerpo. B)Volumen sumergido C)Peso del agua desalojada. D)Empuje.
About Ana Emilia de Orellana
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