FÍSICA 2 FLUIDOS.

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1 FÍSICA 2 FLUIDOS

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3 Fluido Un fluido es toda sustancia que puede moverse libremente, tal como los líquidos o los gases.

4 Adherencia y cohesión Las moléculas de agua experimentan una mayor atracción hacia el vidrio que entre ellas. La atracción entre moléculas de sustancias diferentes se llama adherencia. La atracción entre moléculas de sustancias semejantes se conoce como cohesión.

5 Cohesión El agua se “aferra” debido a moléculas polares a través de enlaces de hidrógeno Cohesión se refiere a la atracción con otras moléculas de agua. Responsable de la tensión superficial Una medida de la fuerza necesaria para estirar o romper la superficie de un líquido

6 Adhesión Adhesión se refiere a la atracción con otras sustancias.
El agua se adhiere a cualquier sustancia con la cual puede formar enlaces de hidrógeno.

7 Adhesión y Cohesión Para el agua, la adhesión es más intensa que la cohesión. Menisco: curva en la superficie de un líquido Si la cohesión es más fuerte que la adhesión, el menisco es convexo (como en el mercurio) Mercurio Agua Acción capilar: combinación de adhesión y cohesión que muestra como el agua es transportada en las plantas (ej: 200’ desde las raíces hasta las ramas en una secuoya de California)

8 Capilaridad La capilaridad es la propiedad de los líquidos para subir o bajar por un espacio muy angosto o tubos muy finos (capilares). Esto se debe a la adherencia y cohesión.

9 Acción capilar Es la combinación de la cohesión y la adhesión que hacen que el agua ascienda entre dos láminas, por tubos muy finos, en un papel secante, o que atraviese lentamente los pequeños espacios entre las partículas del suelo. importancia

10 ¡Todo gracias a los enlaces de hidrógeno!
Acción capilar El agua se evapora de las hojas = transpiración ¡Todo gracias a los enlaces de hidrógeno! adhesión, cohesión y acción capilar Agua tomada por las raíces

11 Los árboles poseen estructuras especializadas para transportar el agua: xilema y líber “la plomería”. Las moléculas de agua son “arrastradas” desde las raíces hasta la copa del árbol por la acción capilar y la cohesión: los enlaces de hidrógeno mantienen las moléculas de agua juntas

12 Tensión superficial Una molécula en la superficie de un líquido es atraída sólo a los lados y hacia abajo por las moléculas próximas. En cambio una molécula en el interior del líquido es atraída por igual en todas direcciones.

13 Un mosquito puede permanecer en la superficie del agua debido a que ella se parece a una cama elástica.

14 Tensión superficial Es una consecuencia de la cohesión o la atracción mutua, entre las moléculas de agua. La cohesión es la unión de moléculas de la misma sustancia. La adhesión es la unión de moléculas de sustancias distintas.

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16 Si sobre una superficie sólida colocamos una gota del fluido A y otra del fluido B ¿qué se puede concluir sobre la tensión superficial de los fluidos? B A

17 Si el jabón disminuye la tensión superficial, ¿por qué para hacer burbujas se aplica jabón al agua?

18 Característica de los fluidos
La cantidad de materia de un objeto en cierto volumen es una característica del objeto llamada densidad. masa m Densidad = = volumen V

19 Densidad del agua 1000 g Densidad = 1000 cm3 Densidad = 1 g/cm3

20 Densidad Densidad = Masa/Volumen  = m / V unidad = kg/m3
Densidades de materiales comunes (kg/m3) agua hielo (flota en el agua) sangre (se hunde en el agua) plomo ,300 cobre mercurio 13,600 aluminio madera aire helio hierro o acero (pero, un barco de acero flota) 1

21 Pregunta 1 La densidad de una sustancia en su fase gaseosa es siempre menor que la de su fase líquida. 1. Si 2. No Esto es verdadero – las moléculas están más apartadas en la fase gaseosa que en la fase líquida.

22 Pregunta 2 La densidad de una sustancia en fase líquida es siempre menor que en su fase sólida. 1. Si 2. No La densidad del agua líquida es mayor que la del hielo. Esto explica por que los peces sobreviven en el fondo de los lagos aún cuando su superficie está congelada. Sin embargo, esto no es cierto para todas las sustancias.

23 Peso específico Se denomina “Peso Específico Absoluto” de una sustancia, en condiciones y lugar determinados, a la relación existente entre el peso considerado de ésta y su volumen: Peso específico = Peso =  (rho) Volumen  

24 Y teniendo en cuenta que el peso de una sustancia es igual al producto de su masa por la aceleración de la gravedad: P = m . g Donde g (aceleración de la gravedad) se puede escribir:  = m . g =  . g V

25  =  g Lo que significa que el peso específico es igual a la
densidad por la aceleración de la gravedad  =  g y por consiguiente el Peso específico absoluto no es constante, puesto que depende de la gravedad, que varía de un lugar a otro de la tierra, así como también varía con la altitud.

26 Densidad relativa  = m y  1 = m 1 V V1
Dividiendo ambas igualdades se tiene (a volúmenes iguales):

27 = Peso Específico Relativo
 = P y  1= P1 V V 1 y a volúmenes iguales = Peso Específico Relativo

28 Se pueden escribir las siguientes igualdades:
 =  . g y  1 =  1 . g Dividiendo miembro a miembro se tendrá: Es decir que el peso específico relativo y la densidad relativa están expresados por un mismo número, cuando se toma como término de comparación una misma sustancia en idénticas condiciones, y las dos expresiones pueden considerarse sinónimas.

29 Presión La presión sobre una superficie es la razón de la fuerza normal por unidad de área. fuerza F P = = área A La presión se mide en N/m2 o Pascal (Pa).

30 Presión = Fuerza por Unidad de Área
¿Qué lastima más? 1) Si eres picado por un clavo con una fuerza igual a tu peso 2) Si tu peso completo es apoyado en una cama de clavos iguales 3) Ambas lastiman lo mismo

31 “¿Un globo muy cómodo?”

32 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. M = rV = (1.0 x 103)(2 x 2 x 0.3) = = 1.2 x 103 kg. W = Mg = (1.2 x 103)(9.8) = 1.18 x 104 N P = F/A = 1.18 x 104 /(2 x 2) = 2.95 kPa 1 Pa = 1 N/m2 2.00 m 30 cm 2.00 m

33 Presión Hidrostática

34 Variación de la presión con la profundidad
¡Verdadera para todas las formas de los contenedores!

35 Las fuerzas debido a la presión ejercida por un fluido sobre un cuerpo sumergido en él siempre actúan perpendicularmente a la superficie del cuerpo.

36 ¡Toda la demás agua de la alberca no afecta la respuesta!
Si hay una charola de 1 ft x 3 ft en el fondo de una alberca de 2 ft de profundidad, la fuerza sobre la charola es igual al peso del agua por arriba de la charola. densidad profundidad área ¡Toda la demás agua de la alberca no afecta la respuesta! presión

37 Pregunta Estas midiendo la presión a una profundidad de 10 cm en tres recipientes diferentes. Ordena los valores de la presión del más grande al más pequeño : 4. Es la misma en los tres 10 cm

38 Fuerzas sobre una Presa
Dos presas A y B tienen idéntica altura y longitud. La presa A contiene el doble de agua que la presa B. ¿Cómo se comparan las fuerzas sobre las cortinas 1. Ambas ejercen la misma presión 2. La presa A ejerce el doble de presión que la presa B 3. La presa A ejerce cuatro veces más presión que la presa B

39 Presión vs profundidad
Para un fluido en un recipiente abierto: 1. La presión es la misma a igual profundidad independientemente de la forma del recipiente

40 2. El nivel del fluido es el mismo en cualquier vaso comunicante.

41 ¡Comprobando que la presión aumenta con la profundidad!

42 Presión atmosférica Debido a la gravedad el aire pesa y produce presión, la llamada presión atmosférica.

43 Puy de Dome (Francia) En 1648, Blaise Pascal llevo a cabo la medición del peso del aire usando un barómetro para medir la diferencia de presiones entre Clermont-Ferrand y la cima del Puy de Dome

44 COMPOSICION DEL AIRE SECO
La Atmósfera La atmósfera es la capa de gases que rodea a la Tierra.  Se extiende hasta unos 1000 km, aunque en sus 15 primeros km se encuentra el 95% de los gases que la componen.  COMPOSICION DEL AIRE SECO Gas Abundancia Nitrógeno (N2) 78,08% Oxígeno (O2) 20,95% Argón (Ar) 0,93% Dióxido de carbono (CO2) 0,03% Otros gases nobles Menos de 0,001%

45 Atmósfera     Estructura de la atmósfera
Altura (km) 180 140 100 60 20 Temperatura del aire - 60 C 0 C + 100 C La atmósfera está dividida en cuatro capas: Troposfera. De los 0 m a los 12 Km. Su espesor varía entre los polos con temperaturas de –60 C y el ecuador con temperaturas de +50 C. Se producen los fenómenos meteorológicos (nubes, lluvia, etc).  Ionosfera Estratosfera. Llega hasta los 50 km de altitud. Su temperatura oscila entre –50 C y +70 C en la zona próxima a la capa de ozono por absorber la radiación ultravioleta del Sol.  Mesosfera Mesosfera. Se extiende hasta los 80 km de altitud. Su temperatura disminuye de forma progresiva hasta –70 C.  Estratosfera Ionosfera. Se extiende hasta los 500 km de altitud. Su temperatura aumenta de forma progresiva hasta C.  Troposfera

46 La relación entre la presión atmosférica y la altitud
La presión disminuye cuando se aumenta en altura. El cambio de presión no es constante. La presión dismi- nuye exponencialmente con la altura. 99.9% 99% 90%

47 No solo la presión, si no la densidad también varía exponencial-mente con la altura.

48 Para medir la presión atmosférica se usa un dispositivo llamado barómetro.

49 Midiendo la Presión Barómetro de mercurio Manómetro de tubo abierto
Para presión atmosférica normal, h es 76 cm Hg Manómetro de tubo abierto La presión gauge, pg es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. La presión gauge es directamente proporcional a h. Puede ser positiva o negativa dependiendo de si la presión absoluta es mayor o menor que la presión atmosférica. Podemos “succionar” fluidos por un popote ya que ene ese momento la presión absoluta en los pulmones es menor que la presión atmosférica.

50 En 1654 Otto von Guericke hizo una demostración de la existencia de la presión atmosférica utilizando dos semiesferas metálicas tiradas por cuatro parejas de caballos de cada lado. Von Guerique construyo un par de semiesferas de bronce huecas iguales, de unos 60 cm de diámetro. Las unió interponiendo una junta circular blanda y las evacuó por medio de una válvula con su bomba de vacío hasta que la presión del aire exterior hizo que ambas se unieran en una sola esfera. El emperador Fernando III presenció la proeza de separar ambas semiesferas con caballos tirando de las semiesferas.

51 Otro ejemplo de la presión atmosférica.

52 Pregunta ¿Es posible estando en el techo de un edificio de cinco pisos (15 metros) de alto beber de un vaso en el suelo usando un popote,? 1. No 2. Si Pa h P=0 La presión con que el aire empuja hacia abajo sobre el líquido en el vaso no es suficiente para empujar todo el líquido hacia arriba hasta los 15 m a través del popote. Evacuando el popote por aspiración ¿Qué tan alto subirá el agua? no más que h = Pa/g = 0.86 m ¡no importa que tan fuerte aspires!

53 ¿Qué puede hacer la presión atmosférica? ¡Observa!

54 Presión y Ec. de Profundidad
Po es la presión atmosférica normal 1.013 x 105 Pa = 14.7 lb/in2 La presión no depende de la forma del recipiente Otras unidades de presión: 76.0 cm de mercurio Una atmósfera 1 atm = x 105 Pa 14.7 lb/in2

55 Usando Fluidos para Medir la Presión
Usa el Barómetro para medir la Presión Absoluta Barómetro Alto del tubo evacuado (p=0) Fondo del tubo sumergido en la tina de mercurio abierta a la atmósfera (p=p0) Presión depende de profundidad: Usa Manómetro para medir la Presión Relativa p0 Dh Manómetro p1 Mide la presión de volumen (p1) relativa a la presión atmosférica (º presión relativa ) La diferencia de alturas (Dh) mide la presión relativa: 1 atm = 760 mm (29.9 in) Hg = m (33.8 ft) H20

56 Ejemplo: Halla la presión a 100 m debajo de la superficie del océano.
Dado: profundidad: h=100 m Hallar: P = ?

57 Principio de Pascal Cualquier cambio en la presión aplicada a un fluido encerrado se transmite sin cambio a cualquier parte del fluido y las paredes del recipiente que lo contiene.

58 Aplicación del principio de Pascal
Con la prensa hidráulica, una fuerza aplicada en una distancia puede transformarse en una fuerza mayor aplicada en una distancia mucho menor.

59 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? Se cumple que: Entonces: F1 A1 d1 A2 d2 La presión es: F2

60 Principio de Arquímedes

61 Principio de Arquímedes
Cuando un cuerpo es sumergido parcial o totalmente en un fluido, una fuerza boyante debida al fluido circundante actúa sobre el cuerpo. La fuerza está dirigida hacia arriba y tiene una magnitud igual al peso mf g del fluido que ha sido desplazado por el cuerpo. ¡La fuerza boyante es igual al peso del fluido desplazado!

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63 Condiciones para la flotación

64 Flotación ¿Qué pesa más?:
1. Una bañera gigante llena hasta el tope con agua. 2. Una bañera igual llena hasta el tope con agua con un destructor flotando en ella. 3. Ambas pesan lo mismo. Bañera con agua Bañera con agua + navío Agua derramada

65 Flotación Supón que pones a flotar un cubo de hielo en un vaso con agua, y después de colocar el hielo en el vaso el nivel del agua está al tope. Cuando el hielo se derrita, el nivel del agua en el vaso: 1. Se elevará, causando que el agua se derrame fuera del vaso. 2. Descenderá. 3. Será el mismo.

66 Solución Así, cuando el hielo se derrita, permanecerá la misma masa que la del agua desplazada. Esto significa que, ¡ocupará el mismo volumen dejado por el agua desplazada!

67 Entrenando astronautas
Los astronautas se entrenan en tanques especiales con agua para simular la ausencia de gravedad. ¿En qué condición de flotación están?

68 Un globo aerostático se eleva porque la fuerza boyante (peso del aire ocupado por el volumen del globo) es mayor que el peso del globo y del gas que contiene.

69 Problema Un globo esférico es llenado con helio, radio R = 12.0 m. El globo que sostiene cables y una cesta tienen una masa m de 196 kg. ¿Qué carga máxima M puede soportar el globo mientras flota a una altitud donde la densidad del helio rHe es kg/m3 y la densidad del aire raire es 1.25 kg/m3? Supón que el volumen de aire desplazado por la carga, los cables, y la cesta es despreciable.

70 ¿Qué porcentaje de un iceberg sobresale de la superficie del agua?