FLUIDOS LIQUIDOS Y GASES

CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA 3 2 4 6 5 1

¿Qué es un fluido? Toda sustancia que por el movimiento de sus moléculas, puede “fluir” o moverse libremente.

Los líquidos y los gases son fluidos:

Hidrostática: Estudia los fluidos en reposo. (Estática: reposo) HIDRÁULICA: Rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos (líquidos o gases) Hidrostática: Estudia los fluidos en reposo. (Estática: reposo) Hidrodinámica: Estudia fluidos en movimiento. (Dinámica: movimiento)

Algunas propiedades de los líquidos Cohesión Tensión Superficial Adhesión Capilaridad Incompresibilidad

Cohesión La fuerza de atracción entre partículas de una misma sustancia que las mantiene unidas. Líquidos en el espacio

Tensión superficial: Es el fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. Lagarto “Jesús”

Adhesión: es la fuerza de atracción entre las partículas de las superficies de distintas substancias.

Capilaridad: elevación de un líquido en la zona de contacto con un sólido, por ejemplo, en las paredes de un tubo.

Incompresibilidad: Al aplicar presión sobre un líquido almacenado, éste NO disminuye su volumen, es decir NO se puede comprimir.

PRESIÓN Presión (P). Se define como la aplicación de fuerza (F) sobre un área (A) o superficie. Es una magnitud física derivada. Se produce al combinar Fuerza (N) con área (m2) Su fórmula es: P = F/A Sus unidades son los pascales (Pa) = N/m2

F A P = F/A

Algunas aplicaciones Recordando que el peso es una fuerza : ¿En qué situación se ejercerá más presión? ¿Cuál es la presión de un pisotón de una mujer que pesa 450 N y tiene zapatillas con un tacón de 0.5 m2

Ejercicios de presión Un bloque de 500 N de peso, tiene las siguientes dimensiones: Ancho C Calcular la presión en cada una de las caras. A B 4 m 2 m 2 m

Aplicando este concepto a los líquidos F P

Incompresibilidad: Al aplicar presión sobre un líquido almacenado, éste NO disminuye su volumen, es decir NO se puede comprimir.

Densidad “Es la cantidad de masa de una sustancia contenida en determinado volumen” Formula de densidad (ρ): ρ = m/v Si piden calcular la masa (m): m = ρv Si piden calcular el volumen (v) v = m/ρ

Líquidos g/mL kg/m3 Acetona 0.79 790 Aceite 0.92 920 Agua de mar 1.025 1025 Agua destilada 1.00 1000 Alcohol etílico Gasolina 0.68 680 Mercurio 13.6 13600 Aire 0.0013 1.3 CO2 0.0018 1.8 Hidrógeno 0.0008 0.8

Relaciones peso específico y densidad Peso especifico a Densidad El peso está en N, entonces hay que dividir entre 9.8 m/s2, (valor de g) para pasarlo a masa (m), que quedaría en Kg. El volumen se puede dejar en las unidades que se encuentre o se requiera. Densidad a peso específico Si la masa está en gr, hay que pasarla a Kg, después multiplicamos por 9.8 m/s2, (valor de g) para pasarlo a peso (w), que quedaría en N.

Principio de Pascal F / A = f /a P1 = P2 “ La fuerza aplicada en un punto sobre un líquido confinado, se transmite íntegramente a todos los puntos del líquido”

¡Hay espacio! ¡No hay espacio!

Prensa hidráulica Émbolo o área menor Rampa o área mayor Fuerza aplicada Fuerza generada F L U I D O

Correspondencias… Émbolo o área menor: A1 Fuerza aplicada: F1 Rampa o área mayor: A2 Fuerza generada: F2 F1 = F2 A1 A2

APLICACIONES… Si piden calcular la fuerza aplicada (F1): Si les piden calcular el área del émbolo (A1): ¿Cómo quedarían F2 y A2? Multiplican! Dividen! Dividen! Multiplican!

Ejercicios de aplicación tipo: Un gato hidráulico tiene un émbolo con un radio de 5 cm a la que se le aplica un fuerza de 250 N. ¿Qué superficie debe tener la rampa para soporta una carga de 1000 N ? En un sistema de frenado la fuerza aplicada para detener un auto es de 60 N, si el émbolo pequeño tiene un área de 30 cm2, cuál es la fuerza ejercida en cada llanta si el émbolo de frenado es de 5 cm2.

Miel… Altura columna de fluido:h Tipo de fluido: Wsp

Presión hidrostática Se ejerce sobre los objetos sumergidos en el fluido. Depende de la altura de la columna del líquido (h), la cual se mide en metros (m). También depende del tipo de fluido en el que se sumerge el objeto, esto se representa con lo que se llama peso específico. El peso específico es el peso en Newtons, que tendría un metro cubico de un fluido.

Wesp El peso específico es lo que pesaría 1 m cubico de un fluido. 1 m3 de agua 1 m3 de aire 10000 N /m3 1290 N /m3 Wesp

Formula presión hidrostática Ph = Wsph Ph: Presión hidrostática (Pa) Wsp: Peso específico (N/m3) h: profundidad (m) Relaciones de variables Ph = Wsph

EJERCICIOS Se tiene un tanque de 5 metros de altura, lleno de alcohol. Calcula la presión hidrostática en el fondo. (Wsp=7742 N/m3) En el fondo de un tanque de agua se experimenta una presión de 150 000 Pa. ¿De cuánto es la altura del tanque? ¿Cuál es el peso especifico de una sustancia si un tanque de 10 m de altura, ejerce una presión de 5000 Pa?

PESO ESPECIFICO Y DENSIDAD Peso específico (Wsp) es el peso (w) de un volumen (v) de 1m3 de un fluido: N/m3 La densidad (ρ) es la relación entre la masa (m) y el volumen (v) de un fluido: g/ml o Kg/ L 1 m3 de agua 1 m3 de aire

Ejercicios: Calcula el peso específico y la densidad de una sustancia que ocupa un volumen de 0. 5 m3 y pesa 200 kG. Un depósito de gasolina de 15 m de altura esta lleno a la mitad. ¿Cuál es la presión hidrostática en el fondo. (ρgasolina=680 kg/m3)

Principio de Arquímedes : todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen del fluido desalojado.

:Densidad (Kg/m3) o (Kg/L) Empuje : E = gV E:Empuje :Densidad (Kg/m3) o (Kg/L) g: Aceleración gravedad (9.8 m/s2) V: Volumen desplazado (m3) o (L) V: Volumen desplazado (m3) RELACION DE VARIABLES

Ejercicios Calcular el empuje que recibe un barco si desaloja un volumen de 5000 L.  agua: 1 Kg/L De cuánto será el volumen desalojado por un barco, si cuando se bota al mar recibe un empuje de 10000 N  agua mar: 1.025 Kg/L

Hidrostática: Estudia los fluidos en reposo. (Estática: reposo) HIDRÁULICA: Rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos (líquidos o gases) Hidrostática: Estudia los fluidos en reposo. (Estática: reposo) Hidrodinámica: Estudia fluidos en movimiento. (Dinámica: movimiento)

FLUJO O GASTO V = m/s F = VA A = m2 Es la relación entre la velocidad a la que se desplaza un fluido y el área del ducto en el que se desplaza. V = m/s F = VA A = m2 También se le conoce como Gasto que es el volumen de un fluido medido en m3 que pasa durante un segundo G = V/t

EJERCICIOS… ¿Cuál es el flujo de gasolina cuya densidad es de 680 Kg/m3, si pasa por un ducto de 1m de diámetro a una velocidad de 10 m/s? ¿Cuánto tiempo tarda en llenarse alberca de 5000 L se llena con un gasto de agua de 0.25 m3/s? 1 m3 = 1000 L

¿Qué pasa si cambia el tamaño del ducto? A1>A2 ¿Qué pasa cuando medio tapan la salida de una manguera?

ECUACIÓN DE CONTINUIDAD Cuando un líquido pasa de una sección de mayor área a una de menor área, su velocidad aumenta. La ecuación que describe esto se denomina ecuación de continuidad, porque el flujo de masa se mantiene constante A1V1 = A2V2 V2 V1 A2 A1

Ejercicios En un canal de riego el agua se conduce a 10 m/s por el canal principal de área 4m2 ¿Si en una bifurcación el canal se divide en dos canales de área 3 m2 y 2 m2 ¿A qué velocidad fluye el agua en cada canal? En una tubería de 1 m de diámetro el agua fluye a 15 m/s. Si se desvía por otra tubería en la que su velocidad aumenta a 30 m/s ¿De cuanto es el área de esa tubería?

Principio de Bernoulli “El trabajo total externo, aplicado a un sistema de flujo estacionario, es igual al cambio de la energía mecánica del sistema.” Trabajo aplicado es positivo, pues aumenta la energía de un sistema. Como la energía mecánica es energía potencial más cinética, las dos o una de las dos aumenta “Cuando la velocidad de un flujo aumenta, la presión disminuye y cuando la velocidad disminuye, la presión aumenta.”

Disminuye la presión Aumento de Velocidad Disminuye la Velocidad Aumento de Presión

TEOREMA DE TORRICELLI La velocidad que adquiere un fluido contenido en un depósito, al salir por una perforación, es igual a la velocidad que adquiere un cuerpo en caída libre soltado desde la superficie libre del fluido.

Un mini-submarino tiene 8 m3 de volumen y 8618 kg de masa Un mini-submarino tiene 8 m3 de volumen y 8618 kg de masa. Se usa para tareas de exploración bajo el agua. Su ventana de 4 pulgadas de espesor le permite sumergirse a 3000 metros de profundidad. Calcula la presión máxima que puede soportar a 3000 m de profundidad en agua de mar (= 1020 Kg/m3). Con los datos de masa (8618 Kg) y volumen (8 m3) calcula su densidad y verifica si es mayor o menor que la del agua de mar. Con el volumen desalojado de 8 m3 calcula el empuje que recibe el Cyclops al sumergirse totalmente en el mar. (= 1020 Kg/m3).   Si el Cyclops requiere una velocidad de 20 m/s para sumergirse ¿De qué área debe ser la salida de la hidroturbina, si su entrada es de 0.5 m2 y el agua que entra lo hace a 5 m/s? El Cyclops se sube y baja al barco mediante una rampa que tiene un área de 15 m2 y se acciona mediante un émbolo hidráulico que tiene un área de 0.25 m2. Con la masa del Cyclops calcula su peso y encuentra la fuerza que se deba aplicar al émbolo para que se mueva el Cyclops.