FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 Tema 3 Estática de fluidos Tema 3 Estática de fluidos IES Padre Manjón Prof: Eduardo Eisman IES.

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1 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 Tema 3 Estática de fluidos Tema 3 Estática de fluidos IES Padre Manjón Prof: Eduardo Eisman IES Padre Manjón Prof: Eduardo Eisman

2 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13  La presión mide el efecto de una fuerza sobre una superficie.  Los efectos que produce una fuerza no solo dependen de su valor o módulo, sino también de la superficie sobre la que actúa.  En cada caso se ejerce la misma fuerza sobre el mismo objeto de forma diferente.  Cuanto menor es la superficie sobre la que actúa una fuerza, mayor es su efecto.  En el S.I. la presión se mide en N/m 2, que llamamos Pascal.  Un Pascal es la presión que se ejerce al aplicar la fuerza de un Newton sobre una superficie de un metro cuadrado. 2

3 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 1b Concepto de fluido Fluidos  En ambos casos la movilidad de las partículas explica la fluidez de las sustancias Gases  Pequeñas fuerzas les hacen fluir  Cambian de forma adaptándose a la vasijas que los contienen. Líquidos  En los líquidos, según la TCM, las partículas vibran, chocan y se deslizan unas sobre otras.  En los gases, según la TCM, las partículas se mueven a grandes velocidades y chocan continuamente. 3

4 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 1c La presión hidrostática y sus causas Tubo de plástico abierto por los extremos Tapa de plástico Se introduce en un recipiente de agua La tapa se separa cuando el nivel de agua del interior del tubo coincide con el del recipiente  La tapa se queda pegada en cualquier dirección  En el interior de los líquidos hay fuerzas, y por lo tanto presiones.  Un líquido en reposo ejerce presión sobre las paredes del recipiente, así como sobre cualquier superficie sumergida en él.  La causa de la presión hidrostática es el peso del fluido y su agitación molecular.  No es una propiedad de los fluidos aislados, sino originada por la interacción gravitatoria entre ellos y la Tierra.  La causa de la presión hidrostática es el peso del fluido y su agitación molecular.  No es una propiedad de los fluidos aislados, sino originada por la interacción gravitatoria entre ellos y la Tierra. 4

5 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 2a Ley fundamental de la hidrostática  Los líquidos y los gases pesan, y por lo tanto ejercen presiones sobre las superficies en contacto con ellos. Calculamos la presión que ejerce el líquido sobre el fondo del recipiente que lo contiene. S h  La presión hidrostática en el interior de un fluido depende de su densidad (d), de la aceleración de la gravedad (g) y de la profundidad (h) o distancia vertical del punto considerado a la superficie libre del líquido.  No depende de la cantidad de líquido que contiene el recipiente, ni de la forma del mismo.  La expresión es válida para cualquier punto en el interior del fluido o de las paredes del recipiente.  Todos los puntos que se encuentren en la misma horizontal soportan la misma presión. 5

6 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 2b Ley fundamental de la hidrostática P B = d g h B P C = d g h C P D = d g h D P E = d g h E PBPB PBPB PCPC PCPC PEPE PDPD P A = d g h A  La presión hidrostática actúa en todas las direcciones, es perpendicular a cualquier superficie.  Aumenta con la profundidad, es decir, con la distancia a la superficie libre del líquido. PAPA P A < P B < P C < P D < P E hBhB hChC hDhD hEhE 6

7 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 2c Ley fundamental de la hidrostática PAPA PCPC PBPB hAhA hBhB hChC  La presión hidrostática es perpendicular a las paredes del recipiente y aumenta con la profundidad. P A < P B < P C 7

8 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 3a Aplicaciones de la ley fundamental de la hidrostática  La presión hidrostática no depende de la forma del recipiente, ni de la cantidad de líquido, sólo depende de la altura.  Vasos comunicantes: recipientes de distinta forma y tamaño, conectados entre sí.  Si los llenamos con un líquido, alcanza la misma altura en todos ellos.  Vasos comunicantes: recipientes de distinta forma y tamaño, conectados entre sí.  Si los llenamos con un líquido, alcanza la misma altura en todos ellos. P A = P B = P C = P D 8

9 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 3b Aplicaciones de la ley fundamental de la hidrostática  Tubo en U con líquidos no miscibles h1h1 h2h2 P2P2 P1P1 Aceite Agua d=10 3 kg/m 3 Agua d=10 3 kg/m 3  Midiendo las alturas en cada una de las ramas se determina la densidad del líquido, en este caso aceite  El tubo en U es el fundamento del manómetro de mercurio 9

10 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 3c Aplicaciones de la ley fundamental de la hidrostática  La superficie libre de los líquidos  La superficie de un líquido es siempre horizontal, como consecuencia del p. fundamental de la hidrostática.  Las moléculas situadas en la superficie de un líquido, sólo son atraídas por las que se encuentra debajo, por lo que la superficie se comporta como una membrana elástica invisible.  Este fenómeno se llama tensión superficial. 10

11 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 4a El Principio de Arquímedes 0 3 2,5 2 1,5 1 0,5 N 0 3 2,5 2 1,5 1 0,5 N Dinamómetro Probeta Agua  Todo cuerpo sumergido, total o parcialmente, en un fluido experimenta un empuje vertical y ascendente igual al peso del volumen de fluido desalojado 11

12 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 4b El Principio de Arquímedes 0 3 2,5 2 1,5 1 0,5 N Probeta Agua  Podemos comprobar que el peso del agua que desplaza la esfera, es el empuje que el cuerpo ha recibido:  La fuerza de empuje 12

13 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 4c El Principio de Arquímedes y el rey de Siracusa La densidad del oro y la plata son distintas: d ORO = 19,30 kg/m 3 y d PLATA = 10,50 kg/m 3 Bloques, de igual masa, tienen distinto volumen.  La corona estaba hecha con una parte de la pieza de oro y con plata. Desplaza poca agua Desplaza mucha agua  Cuenta la leyenda que el rey Hierón II de Siracusa, en el siglo III a.C., encargó la elaboración de una corona de oro a un orfebre, a quien dio un lingote de oro puro para realizarla.  Cuando el orfebre terminó el trabajo y entregó la corona, al rey comenzó a asaltarle una duda. El orfebre pudo haber sustituido parte del oro por una cantidad de plata de forma que el peso de la corona fuese el mismo que el del lingote. El rey encargó a Arquímedes, famoso sabio y matemático de la época, que estudiase el caso.  Bloque de oro de la misma masa que la corona. Bloque de plata de la misma masa que la corona. La corona desplaza más agua que el bloque de oro, pero menos que el bloque de plata. 13

14 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 5a Aplicaciones del Principio de Arquímedes 0 3 2,5 2 1,5 1 0,5 N Dinamómetro  Conociendo el peso real de un cuerpo y su peso aparente en un líquido de densidad conocida, por ejemplo agua, se puede calcular el volumen del cuerpo. Vaso Agua d=10 3 kg/m 3 Agua d=10 3 kg/m 3  Se despeja el volumen del cuerpo:  Se conoce la masa del cuerpo: 0,1 kg  Podemos calcular la densidad:  Determinación del volumen de un cuerpo 14

15 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 5b Aplicaciones del Principio de Arquímedes 0 3 2,5 2 1,5 1 0,5 N Dinamómetro  Conociendo el empuje que experimenta un cuerpo en agua y en un líquido de densidad desconocida, podemos calcular la densidad de ese líquido. Agua Líquido  Unidades S.I.  Determinación de la densidad de un líquido 15

16 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 5c Aplicaciones del Principio de Arquímedes  La Balanza Hidrostática es un balanza con los platillos situados a alturas desiguales que se utiliza para:  Determinar el volumen de un cuerpo  Determinar la densidad de líquidos desconocidos Es necesario hacer tres medidas  Peso del cuerpo en el aire  Empuje del cuerpo en agua (conozco su densidad)  Empuje del cuerpo en el líquido de densidad desconocida Fotografías: FYQ 4º ESO. Editorial Anaya FYQ 4º ESO. Editorial Santillana 16

17 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 5d Aplicaciones del Principio de Arquímedes  Si sumergimos un cuerpo en un fluido, dependiendo de los valores del peso y del empuje, se pueden dar tres casos: P < E P = E P > E  Cuerpos sumergidos 17

18 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 5e Aplicaciones del Principio de Arquímedes El cuerpo se hunde hasta tocar el fundo del recipiente El cuerpo asciende y flota hasta que el peso se equilibra con el empuje debido a la parte sumergida  El cuerpo se mantiene en equilibrio en cualquier posición dentro del líquido d cuerpo > d líquido d cuerpo = d líquido d cuerpo < d líquido  Cuerpos sumergidos 18

19 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 5f Aplicaciones del Principio de Arquímedes  Flotación: centro de gravedad y centro de empuje  Equilibrio estable  Equilibrio inestable  Cuanto más bajo esté situado el centro de gravedad, c.g., más estable será el equilibrio.  Ver libro de 4º ESO  Es suficiente con que el c.g esté por debajo del c.e., y en la misma vertical, si no es así ….  … la línea de acción del empuje tiene que cortar al eje de simetría del barco por encima del c.g. 19

20 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 6a El Principio de Pascal  La presión aplicada en un punto de un líquido se transmite, sin variación, a todos los puntos de ese líquido y en todas las direcciones  Cuando el émbolo desciende y ejerce una presión, el agua sale por todos los orificios de la esfera con la misma velocidad porque la presión se ha transmitido, sin variar, en todas las direcciones y sentidos 20

21 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 6b Aplicaciones del Principio de Pascal  Los frenos hidráulicos  La Prensa hidráulica  Como las presiones son iguales las fuerzas son directamente proporcionales a las superficies de los émbolos: 21

22 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 7a La atmósfera es un fluido gaseoso 22

23 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 7b La presión atmosférica  Torricelli, físico italiano, midió en el año 1643 la presión atmosférica a nivel del mar, con un método que hoy todavía se utiliza, y es el fundamento de los BARÓMETROS.  Experiencia de Torricelli 1. Tubo lleno de mercurio de 1 m 760 mm de Hg 3. El mercurio desciende, dejando un espacio vacío, hasta que la altura de la columna de Hg queda a 760 mm Presión atmosférica Presión columna de Hg de 760 mm de altura En puntos de la misma horizontal hay la misma presión: 2. Tapa el tubo, lo invierte y lo introduce en una cubeta también de mercurio 23

24 FYQ 4.º ESO: Tema 3. Estática de fluidos. Curso 2012/13 7a La presión atmosférica Presión atmosférica 24