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Fluidos Física Grado 11° Docente: Robinson Usma. A través de la historia el hombre ha tratado de aprovechar los recursos que le ha dado la naturaleza.

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1 Fluidos Física Grado 11° Docente: Robinson Usma

2 A través de la historia el hombre ha tratado de aprovechar los recursos que le ha dado la naturaleza para vivir mejor. Algunos ejemplos de esto son: El uso de las corrientes de agua para transportar cargas y personas. El uso de la energía eólica e hidráulica para generar energía eléctrica. El uso de la energía que el viento produce sobre el aspa de un molino para extraer agua del subsuelo. Algunos ejemplos de fluidos. El agua que consumimos. La sangre que circula por nuestras venas. El aire que respiramos día a día.

3 CONTENIDO Características de los fluidos Densidad Presión Variación de la presión en un fluido en reposo Principio de Pascal Flotabilidad y principio de Arquímedes Fluidos en movimiento La ecuación de continuidad Ecuación de Bernoulli Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli – Movimiento de un fluido con velocidad constante – Flujo de salida de un tanque – Flujo sanguíneo Viscosidad

4 ESTADOS DE LA MATERIA Plasma CONDENSADO DE BOSE-EINSTEIN Coloides

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6 Características de los fluidos No resiste a la deformación, ofrece resistencia pequeña o nula a las fuerzas cortantes. Es completamente deformable, toma la forma de su recipiente.

7 Densidad La densidad se define como: La relación entre la densidad de cualquier líquido y la densidad del agua se llama gravedad específica. FluidoDensidad (kg/m 3 ) Núcleo del Sol1.6 x 10 5 Mercurio líquido13.6 x 10 3 Núcleo de la Tierra9.5 x 10 3 Glicerina1.26 x 10 3 Agua1.00 x 10 3 Un buen aceite de oliva0.92 x 10 3 Alcohol etílico0.79 x 10 3 Aire a nivel del mar1.29

8 Densidad de algunas sustancias Sustancia Densidad en kg/m 3 Densidad en g/c.c. Agua10001 Aceite9200,92 Gasolina6800,68 Plomo ,3 Acero78007,8 Mercurio ,6 Madera9000,9 Aire1,30,0013 Butano2,60,026 Dióxido de carbono 1,80,018

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10 11B

11 ¿Por qué un bloque de hielo flota en el agua?

12 Porque asciende un globo aerostático? Porque asciende un globo lleno de helio?

13 Porque flota un barco sabiendo que gran parte de su estructura es de acero? Que es lo que hace que la densidad del barco sea menor que la del agua?

14 DENSIDAD DEL MERCURIO

15 Ejercicio 1 Se tienen dos tanques de gasolina: El tanque 1 tiene las siguientes medidas: ancho=50 cm, largo=75 cm y alto=2,0 metros. El tanque 2 tiene un radio r=30 cm y una altura de 3 metros. ¿Cuál de los dos tanques puede almacenar mas cantidad de gasolina? ¿Cuánto pesa cada tanque lleno a su máxima capacidad?

16 Ejercicio 2 Un grupo de científicos, en una exploración al interior de una mina, encontró un objeto cúbico perfecto que les causo curiosidad ya que a simple vista no se pudo determinar de que material estaba constituido. Se midió una arista del cubo y esta era de 2,12 cm, luego se pesó la pieza y se obtuvo una masa de 100 gr. Podrías ayudar al equipo investigador a tener una pista sobre el material?

17 Pregunta conceptual Que procedimiento seguirías en un laboratorio para determinar de que tipo de material es una pieza de forma irregular? Podría el concepto de densidad ser de utilidad para el propósito?

18 Ejercicio 3 Sabiendo que la densidad de la leche es de 1032 g/ml ¿Cuánto pesará un litro de leche? ¿Cuánto pesará un litro de miel si su densidad es de 1401 g/ml? Se tiene un tanque con las siguientes medidas: Ancho 10 yardas, largo 30 yardas, profundidad 15ft. ¿Cuántos litros de leche se pueden almacenar en este tanque?

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20 Presión La presión se define como la fuerza por unidad de área, que actúa perpendicularmente a una superficie:

21 PRESION

22 Porque un hombre con zapatos de esquí puede caminar sobre la nieve?

23 Porque los los utensilios para cortar y perforar son de área pequeña? Porque los constructores apoyan las edificaciones sobre cimientos? Porque una llanta se llena de aire? Podría hacerse con agua?

24 Ejemplo El colchón de una cama de agua mide 2.00 m de largo, 2.00m de ancho y 30 cm de profundidad. a)Encuentre el peso del agua en el colchón. b)Encuentre la presión sobre el piso. 30 cm 2.00 m M = V = (1.0 x 10 3 )(2 x 2 x 0.3) = = 1.2 x 10 3 kg. W = Mg = (1.2 x 10 3 )(9.8) = 1.18 x 10 4 N P = F/A = 1.18 x 10 4 /(2 x 2) = 2.95 kPa 1 Pa = 1 N/m 2

25 CLASIFICACION DE LA PRESIÓN Presión Atmosférica Presión Hidrostática Presión Manométrica Presión Total

26 MEDICIÓN DE LA PRESIÓN

27 UNIDADES DE PRESIÓN 1 Pa = 1 N/m 2 1 bar = 100,000 Pa 1 millibar =100 Pa 1 atmosphere = 101,325 KPa 1 mm Hg = 133 Pa 1 inch Hg = 3,386 Pa 1 atm = 760 torr = psi 1 Bar = atm

28 Ejercicios Presión Se sabe que cierta caldera en una empresa puede resistir hasta una presión de 30 atmosferas. Cual es el valor de esta presión en KPa? Un neumático fue llenado de aire a una presión de 20 lb/pulg 2.. Cual es el valor de esta presión en atmosferas? Un bloque de plomo tiene las siguientes dimensiones largo=30 cm, ancho=50 cm, altura:70 cm. Cuales serias las presiones ejercidas por este bloque sobre el piso en cada una de las posiciones posibles.

29 Hemisferios de Mademburgo Otto von Guerike, en Mademburgo (Alemania) necesito 16 fuertes caballos para separar los hemisferios de una esfera huecasde diametro 50 cms. ¿Qué ocurrió?

30 Porque se hace posible tomar gaseosa a través de un pitillo? Cual es el valor de la presión atmosférica en la luna? Que es un barómetro? Cuanto debería medir un barómetro que en vez de mercurio, tuviera agua para medir la presión atmosférica a nivel del mar.

31 mg hm Presión Hidrostática Es la presión experimentada por un cuerpo sumergido en un fluido

32 Variación de la presión en un fluido en reposo La variación de la presión en un fluido en reposo dependerá solamente de la profundidad. Dos puntos ubicados a la misma profundidad tendrán la misma presión. Analizar caso de la piscina. ¿Por qué duelen los oídos al sumergirse? ¿Qué otra complicación puede ocurrir? Bajo la influencia de la gravedad, la presión varía como función de la profundidad.

33 Que presión se experimenta en una piscina en la ciudad de barranquilla a una profundidad de 7 metros? Cual seria el valor de la presión en una piscina en la ciudad de Medellín a la misma profundidad de 7 metros? P atmosférica en Medellín=855 mbar

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35 Pregunta ¿Por que la altura del nivel del agua en los vasos comunicantes es la misma?

36 PRESIÓN EN LOS LÍQUIDOS Los líquidos transmiten presiones; los sólidos transmiten fuerzas.

37 Esto lo reconoció por primera vez el científico francés Blaise Pascal (1623–1662), y se le conoce como el Principio de Pascal. En un fluido la presión depende únicamente de la profundidad. Todo aumento de presión en la superficie se transmite a todos los puntos del fluido.

38 PRINCIPIO DE PASCAL Principio de Pascal: el mismo cambio de presión aplicada a cualquier punto en un fluido en reposo, se transmite a cada una de sus partes.

39 PRINCIPO DE PASCAL

40 Ejemplo En un elevador de automóviles que se emplea en un taller, el aire comprimido ejerce una fuerza sobre un émbolo de sección transversal que tiene un radio de 5 cm. Esta presión se transmite por medio de un líquido a un segundo émbolo de 15 cm de radio. ¿Qué fuerza debe ejercer el aire comprimido para levantar un auto de 13,300 N? ¿qué presión de aire producirá esta fuerza? A1A1 A2A2 F1F1 F2F2 d1d1 d2d2 Se cumple que: Entonces: La presión es:

41 APLICACIONES PRINCIPIO PASCAL

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43 Tubo en forma de U Calcular la densidad del fluido para valores dados de altura de las columnas.

44 Tubo en forma de U

45 Si el fluido es mercurio y la columna de agua es de 70 cms. Cual es la presión en el tanque?

46 Flotabilidad y principio de Arquímedes El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja».

47 Calcular la fuerza de empuje ejercida sobre un cubo de hierro de 1.5 cm 3 de lado, totalmente sumergido en agua. Cual sería el empuje si el cubo tiene sumergido un 50% de su volumen. Hallar el volumen desplazado por un bloque de madera de 1,3 cm 3 que pesa 10N y flota la superficie del agua contenida en un recipiente. No siempre el volumen sumergido corresponde al volumen total del cuerpo.

48 Un esquimal se encuentra sobre un bloque de hielo de 1.5 m 3 de volumen, de manera que la superficie superior del bloque coincide con la superficie del agua del rio en el cual se encuentra. Determinar la masa del esquimal Una canoa de 50 Kg puede desplazar un volumen máximo de 0,9 m³ de agua. ¿Cuantas personas de 85 Kg pueden subir a bordo de la canoa?.

49 Ejercicio Una pieza de aluminio con 1.00 kg de masa y kg/m 3 de densidad está suspendida de un resorte y entonces se sumerge por completo en un recipiente de agua (Fig. P15.23). Calcule la tensión en el resorte antes y después de sumergir el metal

50 Ejercicio Un cubo de madera de 20.0 cm de lado y una densidad de 650 kg/m 3 flota en el agua. a)¿Cuál es la distancia desde la cara superior horizontal del cubo hasta el nivel del agua? b)¿Cuánto peso de plomo debe ponerse sobre la parte superior del cubo para que éste quede justo al nivel del agua? Recordar que no siempre el volumen sumergido corresponde al volumen total del cuerpo.

51 Fluidos en movimiento Trabajaremos los fluidos usando algunas simplificaciones que permitirán realizar los cálculos 1.El fluido es incomprensible. 2.La temperatura no varía. 3.El flujo es estable, y entonces la velocidad y la presión no dependen del tiempo. 4.El flujo no es turbulento, es laminar. 5.El flujo es irrotacional, de modo que no hay circulación. 6.El fluido no tiene viscosidad.

52 La ecuación de continuidad Considere el siguiente tubo de flujo. De acuerdo a la conservación de la masa, se tiene: 1 v 1 A 1 = 2 v 2 A 2 Si nos restringimos a fluidos incomprensibles, entonces 1 = 2 y se deduce que v 1 A 1 = v 2 A 2 Ecuación de continuidad. Realizar ejercicio con valores de áreas y velocidades. Introducir el concepto de caudal.

53 Ejercicio Por una manguera contra incendios de 6.35 cm de diámetro fluye agua a una relación de m 3 /s. La manguera termina en una boquilla con diámetro interior de 2.20 cm. ¿Cuál es la rapidez con la cual el agua sale de la boquilla?

54 Ecuación de Bernoulli

55 Ejercicio El agua contenida en un tanque elevado puede fluir por una tubería que esta provista de una válvula ubicada 12 metros por debajo del nivel del agua en el tanque. Si la presión atmosférica es Pa. Calcular a. La presión en la válvula cuando esta se encuentra cerrada. b. La presión cuando esta se abre y la velocidad con la que fluye el agua.

56 Efecto Bernoulli Para un flujo horizontal p + ½ v 2 = constante La presión en menor donde la velocidad del fluido es mayor y viceversa. v 1 < v 2 p 1 > p 2 v2v2 v1v1 p1p1 p2p2

57 El tubo de Venturi La altura promedio del fluido es constante, entonces De la ecuación de continuidad v 1 A 1 = v 2 A 2 Demostrar Esto indica que cuando la velocidad aumenta la presión disminuye

58 El tubo de Venturi -ejercicio A través de un tubo venturi fluye agua. En la parte mas ancha del tubo el área es de 10 cm 2 y en la parte mas angosta es de cm 2. Si la presión en la parte mas ancha es de Pa y la velocidad con la cual el agua fluye es de 10m/seg. Calcular: a.La velocidad en la parte mas angosta de tubo. b.La presión en la parte mas angosta del tubo. v 1 A 1 = v 2 A 2

59 Ley de Torricelli La presión del aire en la superficie del líquido (1) es la misma que en el orificio (2), entonces podemos establecer Suponiendo que v1 = 0 (el nivel del líquido cambia muy lentamente), llegamos a: Tomar valores de altura desde el piso y realizar los siguientes cálculos: Velocidad con la que el agua sale del recipiente. Distancia al que cae el chorro

60 Explicación porque flota un bloque de hielo en el agua El agua tiene un comportamiento diferente a la mayoría de líquidos: Cuando pasa a estado sólido aumenta de volumen. Esto es así porque la densidad del hielo es menor que la del agua. Si se llena completamente de agua un recipiente y se lo cierra herméticamente para luego congelarlo, al solidificarse el agua generará una enorme presión que si no es soportada por el recipiente, este se deformaría o estallaría.


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