Ciencias Físicas 3

Capítulo 5 Los fluidos

Fases de la materia Las tres fases o estados comunes de la materia son sólido, líquido y gaseoso. Un sólido tiene una forma y tamaño definido. Un líquido tiene un volumen fijo pero puede tener cualquier forma. Un gas puede tener cualquier forma y también puede ser comprimido fácilmente. Los líquidos y los gases fluyen y se les llama fluidos.

Densidad y gravedad específica La densidad ρ de un objeto es su masa por unidad de volumen: La unidad SI para la densidad es el kg/m3. La densidad a veces también se describe como g/cm3; para convertir g/cm3 en kg/m3, multiplique por 1000. El agua a 4 °C tiene una densidad de 1 g/cm3 = 1000 kg/m3. La gravedad específica de una sustancia es la proporción de su densidad en relación al agua.

Presión en fluidos La presión se define como la fuerza por unidad de área. La presión es una escalar; la unidad de presión en el sistema SI es el pascal: 1 Pa = 1 N/m2 La presión es la misma en cualquier dirección en un fluido a una profundidad dada; si no fuera así, el fluido estaría en movimiento.

Presión en fluidos También para un fluido en reposo, no existe un componente de la fuerza paralelo hacia cualquier superficie sólida –una vez más, si existiera el fluido estaría en movimiento.

Presión en fluidos La presión a una profundidad h debajo de la superficie de un líquido se debe al peso del líquido sobre este. Podemos calcular rápidamente: Estas relación es válida para cualquier líquido cuya densidad no cambie con la profundidad.

Presión atmosférica y presión manométrica A nivel del mar la presión atmosférica es de alrededor de ; esto se denomina una atmósfera (atm). Otra unidad de presión es el bar: La presión atmosférica estándar es ligeramente mayor que 1 bar. Esta presión no nos aplasta, ya que nuestras células mantienen una presión interna que la balancea.

Presión atmosférica y presión manométrica La mayoría de los manómetros miden la presión sobre la presión atmosférica –esto se denomina presión manométrica. La presión absoluta es la suma de la presión atmosférica y de la presión manométrica.

Principio de Pascal Si se aplica una presión externa a un líquido encerrado, la presión en todos los puntos del fluido aumentan en la misma cantidad. Este principio se usa, por ejemplo, en los elevadores hidráulicos y en los frenos hidráulicos.

Medición de la presión; manómetros y barómetros Existen muchos tipos diferentes de manómetros. Este es un manómetro de tubo abierto. La presión en el extremo abierto es la presión atmosférica; la presión medida hará que el fluido suba hasta que las presiones en ambos extremos a la misma altura sean iguales.

Medición de la presión; manómetros y barómetros Aquí hay otros dos dispositivos para la medición de presión: el manómetro aneroide y el manómetro de neumáticos.

Medición de la presión; manómetros y barómetros Este es un barómetro de mercurio, desarrollado por Torricelli para medir la presión atmosférica. La altura de la columna de mercurio es tal que la presión en el tubo a nivel de la superficie es de 1 atm. Por lo tanto, la presión normalmente se mide en milímetros (o pulgadas) de mercurio.

Medición de la presión; manómetros y barómetros Se puede usar cualquier líquido en un barómetro del tipo de Torricelli, pero los más densos son los más convenientes. Este barómetro utiliza agua.

Flotabilidad y principio de Arquímedes Este es un objeto sumergido en un fluido. Existe una fuerza neta sobre el objeto ya que las presiones en la parte superior e inferior son diferentes. La fuerza de flotación es la fuerza ascendente en el mismo volumen de agua:

Flotabilidad y principio de Arquímedes La fuerza neta sobre el objeto es entonces la diferencia entre la fuerza de flotación y la fuerza gravitacional.

Flotabilidad y principio de Arquímedes Si la densidad del objeto es menor que la del agua, existirá una fuerza neta ascendente sobre él, y subirá hasta que quede parcialmente fuera del agua.

Flotabilidad y principio de Arquímedes Para un objeto que flota, la fracción de volumen que se sumerge depende de la razón de la densidad del objeto y la densidad del fluido.

Flotabilidad y principio de Arquímedes Este principio también se aplica en el aire; es la razón de que los globos de aire caliente y de helio se eleven.

Fluidos en movimiento, tasa de flujo y la ecuación de continuidad Si el flujo de un fluido es suave, se le llama flujo aerodinámico o laminar (a). Más allá de cierta velocidad, el flujo se vuelve turbulento (b). El flujo turbulento tiene remolinos; la viscosidad del fluido es mucho mayor cuando existen remolinos.

Fluidos en movimiento, tasa de flujo y la ecuación de continuidad Nos dedicaremos al flujo laminar. La tasa de flujo de masas es la masa que pasa por un punto determinado en una unidad de tiempo. La tasa de flujo en dos puntos dados debe ser igual, mientras no se agregue o retire ningún fluido. Eso nos da la ecuación de continuidad:

Fluidos en movimiento, tasa de flujo y la ecuación de continuidad Si no cambia la densidad –típica de los líquidos– se puede simplificar a . Donde el tubo es más ancho, el fluido es más lento.

Principio de Bernoulli Un fluido también puede cambiar su altura. Al ver el trabajo ejercido a medida que se mueve, vemos que: Este es el principio de Bernoulli. Una de las cosas que nos dice que es que a medida que la velocidad aumenta, la presión disminuye.

Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de fútbol y la isquemia Al usar el principio de Bernoulli, vemos que la velocidad de un fluido que sale por una llave en un tanque abierto es: Esto se denomina teorema de Torricelli.

Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de fútbol y la isquemia La elevación en el ala de un avión se debe a las diferencias de velocidad y presión de aire en las dos superficies del ala. Menor presión Mayor presión

Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de fútbol y la isquemia Un bote de velas se puede mover contra el viento, al usar las diferencias de presión en cada lado de la vela, y al usar la quilla para evitar navegar de lado.

Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de fútbol y la isquemia La trayectoria de una pelota se curvará debido a su giro, lo que da como resultado que el aire en ambos lados de la pelota no sea igual.

Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de fútbol y la isquemia Una persona con arterias constreñidas podría experimentar una falta temporal de sangre en el cerebro (isquemia) a medida que la sangre aumenta su velocidad al pasar por la constricción, lo que reduce la presión.

Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de fútbol y la isquemia Se puede utilizar un medidor de venturi para medir el flujo de los fluidos al medir las diferencias de presión.

Aplicaciones del principio de Bernoulli: de Torricelli a los aviones, las pelotas de fútbol y la isquemia El flujo de aire en la parte superior ayuda a que el humo salga de una chimenea y el flujo de aire en diferentes aberturas puede entregar la circulación necesaria para las madrigueras subterráneas.

Viscosidad Los fluidos reales tienen una resistencia interna, llamada viscosidad. La viscosidad puede medirse; se encuentra en la relación donde η es el coeficiente de viscosidad.

Flujo en tubos; la ecuación de Poiseuille, el flujo sanguíneo La tasa de flujo en un fluido en un tubo redondo depende de la viscosidad del fluido, de la diferencia de presión y de las dimensiones del tubo. El volumen de la tasa de flujos es proporcional a la diferencia de presión, inversamente proporcional al largo del tubo y a la diferencia de presión, y proporcional a la cuarta energía del radio del tubo.

Flujo en tubos; la ecuación de Poiseuille, el flujo sanguíneo Esto tiene consecuencias en el flujo sanguíneo –si el radio de la arteria es la mitad de lo que debiera ser– la presión debe aumentar en un factor de 16 para mantener el mismo flujo. Normalmente el corazón no puede trabajar tan duro, pero la presión sanguínea sube a medida que lo intenta. Pared arterial más gruesa Pared de la arteria Bloqueo

Tensión superficial y capilaridad La superficie de un líquido en reposo no es perfectamente plana; se curva hacia arriba o hacia abajo en las paredes del contenedor. Ese es el resultado de la tensión superficial, que hace que la superficie se comporte de una manera elástica.

Tensión superficial y capilaridad El jabón y los detergentes bajan la tensión superficial del agua. Esto permite que el agua ingrese en los materiales más fácilmente. Las moléculas de agua son atraídas con más fuerza al vidrio que hacia otras moléculas de agua; ocurre lo contrario con el mercurio.

Tensión superficial y capilaridad Si se colocan tubos delgados en un fluido, el fluido mostrará capilaridad.

Bombas y el corazón Esta es una bomba alternante simple. Si se usara como una bomba de vacío, el recipiente se conectaría a la admisión; si se usara como una bomba de presión, el recipiente se conectaría al escape.

Bombas y el corazón (a) Es una bomba centrifuga; (b) una bomba rotatoria con sello de aceite; (c) una bomba de difusión.

Bombas y el corazón El corazón de un humano o de cualquier otro animal, también funciona como una bomba.

Bombas y el corazón Para medir la presión sanguínea, se infla un brazalete hasta que el flujo sanguíneo se detenga. Luego se desinfla el brazalete lentamente hasta que la sangre comience a fluir mientras el corazón bombea, y luego se desinfla un poco más hasta que la sangre fluya libremente.