PPTCEL014FS11-A16V1 Clase Fluidos I: el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

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1 PPTCEL014FS11-A16V1 Clase Fluidos I: el principio de Pascal y el principio de Arquímedes

2 Resumen de la clase anterior CAMPO MAGNÉTICO Al interactuar con Cargas en movimiento Movimiento circular Puede ser producido por Corriente eléctrica Si circula por dos conductores Fuerza magnética Variable Corriente inducida Ley de Faraday - Lenz Aplicación Transformador

3 Aprendizajes esperados Reconocer las fases de la materia. Comprender los conceptos de presión, densidad, peso específico y empuje. Reconocer el sistema de vasos comunicantes y las relaciones matemáticas que lo rigen. Comprender el principio de Pascal y sus aplicaciones. Comprender el principio de Arquímedes. Establecer la relación entre empuje y flotación.

4 Pregunta oficial PSU Se tiene un cubo sumergido en agua, como muestra la figura ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? A) Las presiones en las caras P y Q tienen la misma magnitud. B) La presión del agua actúa solo sobre las caras P y R. C) La suma de las fuerzas que actúan sobre las caras P, Q, R y S es igual a cero. D) Las presiones sobre las caras P y R se anulan entre sí. E) La magnitud de la fuerza total ejercida por el agua sobre la cara Q es igual a la magnitud de la que actúa sobre la cara S. Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2015.

5 1.Fases de la materia 2.Densidad 3.Peso específico 4.Presión 5.Vasos comunicantes 6.Principio de Pascal 7.Principio de Arquímedes 8.Empuje Págs.: 53 - 74 Cap. 3

6 1.1 Características La materia en el mundo que nos rodea la podemos encontrar, en general, en tres fases fáciles de reconocer: sólida, líquida y gaseosa. La diferencia fundamental entre ellas es la intensidad con la que actúan las fuerzas entre las moléculas que componen la materia. SólidoLíquidoGaseoso Pág. 55 Cap. 3 Fuerzas intermoleculares intensas Mantiene su forma No Compresible 1. Fases de la materia

7 1.1 Características La materia en el mundo que nos rodea la podemos encontrar, en general, en tres fases fáciles de reconocer: sólida, líquida y gaseosa. La diferencia fundamental entre ellas es la intensidad con la que actúan las fuerzas entre las moléculas que componen la materia. SólidoLíquidoGaseoso Fuerzas intermoleculares menores que en sólidos Puede Fluir No Compresible Pág. 55 Cap. 3 1. Fases de la materia

8 1.1 Características La materia en el mundo que nos rodea la podemos encontrar, en general, en tres fases fáciles de reconocer: sólida, líquida y gaseosa. La diferencia fundamental entre ellas es la intensidad con la que actúan las fuerzas entre las moléculas que componen la materia. SólidoLíquidoGaseoso Fuerzas intermoleculares prácticamente nulas Puede Fluir Compresible Pág. 55 Cap. 3 1. Fases de la materia

9 1.2 Una fase diferente: el plasma Cabe mencionar la existencia de un cuarto estado, menos conocido, llamado plasma. Por ejemplo, el Sol y un rayo en una tormenta son plasma. Es el estado más abundante en el universo.

10 2.1 Densidad absoluta ( ) Es una medida de cuánta materia se encuentra contenida en un espacio determinado; es la cantidad de masa por unidad de volumen. Pág. 56 Cap. 3 2. Densidad

11 2.2 Densidad relativa ( ) Es la razón entre la densidad absoluta de una sustancia y la densidad absoluta de otra, que se toma como patrón. Es una magnitud adimensional y como patrón suele tomarse la densidad del agua. Pág. 56 Cap. 3 2. Densidad

12 2.3 Densidad y flotabilidad Las materiales menos densos flotan sobre aquellos más densos. Por ejemplo, el aceite flota en el agua y el hielo en el mar, como los iceberg.

13 3. Peso específico 3.1 Definición Es el peso de un cuerpo por unidad de volumen. Pág. 58 Cap. 3

14 Ejercicio Ejercicio 6 guía Fluidos I 6. Una sustancia A, de peso específico, tiene un peso de módulo mg y ocupa un volumen V. Otra sustancia B ocupa el mismo volumen V, pero su peso es el doble que el de A. Luego, la relación entre los pesos específicos de las sustancias A y B es A)1 : 4 B)1 : 2 C)2 : 1 D)3 : 1 E)4 : 1 B Aplicación

15 4.1 Definición Magnitud física que da cuenta de la cantidad de fuerza perpendicular que se ejerce sobre una superficie, por unidad de área. La presión es un escalar, pero siempre se representa como una flecha que actúa perpendicular a la superficie de contacto. ¿Sabías que el taco aguja de una mujer de 60 [kg] ejerce 16 veces más presión que la pata de un elefante de 5 toneladas? Pág. 58 Cap. 3 4. Presión

16 En un fluido en reposo, siempre se cumple que: La presión en un punto del fluido en reposo es igual en todas las direcciones. La presión en un mismo plano horizontal es la misma. Cuerpos sumergidos Cuando un cuerpo se encuentra inmerso en un fluido, este ejerce fuerzas sobre el cuerpo en forma perpendicular a sus superficies, es decir, el fluido ejerce presiones sobre el cuerpo. El fluido también ejerce presión sobre las superficies del recipiente que lo contiene. 4.2 Presión dentro de un fluido en reposo 4. Presión

17 La presión que ejerce un fluido sobre un cuerpo sumergido depende de la densidad del fluido, de la aceleración de gravedad y de la profundidad a la que se encuentre el cuerpo. Se calcula como Donde: ρ: densidad del fluido. g: aceleración de gravedad. h: profundidad a la cual se encuentra el cuerpo. 4.2 Presión dentro de un fluido en reposo 4. Presión

18 Ejercicio 17 guía Fluidos I C Aplicación 17. La figura muestra tres recipientes que contienen líquidos distintos, cuyas superficies se encuentran a una misma altura h. Si la densidad del líquido en S es 1 ; la de Q es 2 ; y la de R es 3, es correcto afirmar que las presiones en el fondo de los recipientes, ordenadas en forma decreciente, son A) P S, P Q, P R B) P S, P R, P Q C) P R, P Q, P S D) P Q, P S, P R E) P Q, P R, P S Ejercicio

19 4.3 Presión atmosférica Presión que ejerce la atmósfera sobre todos los cuerpos que están sumergidos en ella. La presión atmosférica depende de la altura a la que se encuentre el cuerpo, respecto del nivel del mar. Unidades para la presión atmosférica Para medir la presión atmosférica se utiliza el barómetro. El barómetro mide la presión atmosférica gracias a las deformaciones (debidas a las variaciones de presión) que experimentan las paredes de una caja metálica vacía en su interior. Pág. 61 Cap. 3 4. Presión

20 Barómetro de Torricelli: consiste en un tubo de vidrio de longitud superior a 76 centímetros, cerrado por un extremo, que se llena de mercurio y se invierte sobre un recipiente también con mercurio. El mercurio del tubo desciende hasta una altura aproximada de 76 cm. Esta medición fue realizada por Torricelli a nivel del mar. 4.3 Presión atmosférica Pág. 63 Cap. 3 4. Presión

21 4.3 Presión atmosférica Utilizando el barómetro de Torricelli, podemos determinar el valor de la presión que ejerce la atmósfera sobre los cuerpos que se encuentran a nivel del mar. A este valor de presión se le denomina 1 atmósfera y se designa por 1 [atm]. Otras unidades de Presión: 1 [atm] = 760 [Torr] 1 [Pa] = 10 [baria] 1 [milibar] = 0,76 [mm Hg] Pág. 59, 61 Cap. 3 4. Presión

22 Presión bajo el nivel del mar Para un cuerpo que está sumergido a una profundidad h, se tiene la siguiente ecuación para la presión: Donde: ρ: densidad del fluido. h: profundidad a la cual se encuentra el cuerpo. g: módulo de la aceleración de gravedad. P 0 : presión atmosférica. 4.4 Presión absoluta Pág. 67 Cap. 3 4. Presión

23 Presión sobre el nivel del mar Para un cuerpo que está sobre el nivel del mar a una altura h, se tiene la siguiente ecuación para la presión: Donde: ρ: densidad del fluido. h: altura a la cual se encuentra el cuerpo. g: módulo de la aceleración de gravedad. P 0 : presión atmosférica. 4.4 Presión absoluta 4. Presión

24 4.5 Presión manométrica Para medir presiones distintas a la presión atmosférica se usan los manómetros. Estos instrumentos utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica. A este valor se le llama presión manométrica.

25 5. Vasos comunicantes Instrumento compuesto por varios depósitos comunicados en su parte inferior por una base común. Si se vierte un líquido en su interior alcanza la misma altura en cada uno. Además, a la misma profundidad el líquido registra igual presión. 5.1 Definición Pág. 69 Cap. 3

26 5. Vasos comunicantes Si los líquidos son no miscibles (no se mezclan entre sí) las alturas de los niveles de los líquidos serán inversamente proporcionales a sus pesos específicos. Es decir, a mayor peso específico, el líquido alcanza menor altura y viceversa. 5.2 Vasos comunicantes con líquidos no miscibles Donde: P 1 y P 2 : presión ejercida por cada fluido en el fondo ρ 1 y ρ 2 : densidades de los fluidos. h 1 y h 2 : alturas de cada líquido. g : módulo de la aceleración de gravedad.

27 6. Principio de Pascal La presión que se ejerce sobre un punto de un fluido se transmite íntegramente y con la misma intensidad, en todas direcciones. 6.1 Definición Pág. 69 Cap. 3

28 6. Principio de Pascal 6.2 Aplicaciones Entre las aplicaciones tenemos: los frenos hidráulicos, elevadores hidráulicos, la prensa hidráulica. Esta última se puede utilizar como un verdadero multiplicador de fuerza; en ella se tiene que, por igualdad de presiones:

29 Ejercicio 14 guía Fluidos I A Aplicación 14. La figura muestra a un niño que levanta un automóvil con la ayuda de un elevador hidráulico. Si el auto pesa 8.000 [N] y descansa sobre un pistón cuya área es de 2.000 [cm²], ¿cuál es el valor de la fuerza que el niño está ejerciendo, si se sabe que el área del pistón que empuja es de 25 [cm²]? A)100 [N] B)200 [N] C)250 [N] D)300 [N] E)800 [N] Ejercicio

30 Este principio sostiene que todo cuerpo parcial o completamente sumergido en un fluido experimenta una fuerza vertical hacia arriba, denominada empuje, cuyo valor equivale al módulo del peso del fluido desplazado. Peso Pág. 71 Cap. 3 7. Principio de Arquímedes 7.1 Principio de Arquímedes

31 Peso Empuje Este principio sostiene que todo cuerpo parcial o completamente sumergido en un fluido experimenta una fuerza vertical hacia arriba, denominada empuje, cuyo valor equivale al módulo del peso del fluido desplazado. 7.1 Principio de Arquímedes 7. Principio de Arquímedes

32 8.1 Empuje y volumen desplazado Como ya lo mencionamos, el empuje es numéricamente igual al módulo del peso del fluido que desplaza un cuerpo total o parcialmente sumergido en él. Unidades para el empuje S.I.: [N] C.G.S.: [dina] Fluido desplazado Parte sumergida del cuerpo Pero: Por lo tanto: 8. Empuje Pág. 73 Cap. 3

33 8.2 Peso aparente El peso de un cuerpo sumergido en un fluido es menor que su peso fuera de él. La diferencia se debe al empuje ejercido por el fluido sobre el cuerpo. El peso de un cuerpo sumergido (total o parcialmente) en un fluido se denomina “peso aparente” y se calcula como Pág. 72 Cap. 3 8. Empuje

34 8.3 Relación entre flotación, peso y empuje Un cuerpo FLOTA en un fluido si su densidad es menor o igual a la densidad del fluido, y el empuje es igual al peso del cuerpo. Pág. 74 Cap. 3 8. Empuje

35 8.3 Relación entre flotación, peso y empuje Un cuerpo se HUNDE hasta el fondo de un recipiente que contiene un fluido si el peso del cuerpo es mayor que el empuje, o bien, si la densidad del cuerpo es mayor que la densidad del fluido. 8. Empuje

36 Un cuerpo que se encuentra completamente sumergido en un fluido EMERGE si su peso es menor que el empuje, o bien, si su densidad es menor que la densidad del fluido. 8.3 Relación entre flotación, peso y empuje 8. Empuje

37 9. Un barco cuyo peso es de 8.000 [N] navega río abajo hasta llegar al mar. Además, se sabe que la densidad del agua de mar y la del agua de río son y, respectivamente. Considerando esta información, cuando el barco pasa del río al mar, es correcto afirmar que I) disminuye su parte sumergida. II) aumenta su peso. III) aumenta el empuje que ejerce el agua sobre él. A)Solo I B)Solo II C)Solo III D)Solo I y II E)Solo I y III Ejercicio 9 guía Fluidos I Ejercicio A Comprensión

38 Pregunta oficial PSU Se tiene un cubo sumergido en agua, como muestra la figura ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? A) Las presiones en las caras P y Q tienen la misma magnitud. B) La presión del agua actúa solo sobre las caras P y R. C) La suma de las fuerzas que actúan sobre las caras P, Q, R y S es igual a cero. D) Las presiones sobre las caras P y R se anulan entre sí. E) La magnitud de la fuerza total ejercida por el agua sobre la cara Q es igual a la magnitud de la que actúa sobre la cara S. Fuente : DEMRE - U. DE CHILE, proceso de admisión 2015. E Comprensión

39 Tabla de corrección ÍtemAlternativaUnidad temáticaHabilidad 1 E Fluidos Comprensión 2EFluidosComprensión 3BFluidosComprensión 4DFluidosComprensión 5AFluidosComprensión 6 B Fluidos Aplicación 7CFluidosComprensión 8DFluidosComprensión 9 A Fluidos Comprensión 10BFluidosComprensión

40 Tabla de corrección ÍtemAlternativaUnidad temáticaHabilidad 11 C Fluidos Aplicación 12BFluidosASE 13AFluidosASE 14AFluidosAplicación 15CFluidosAplicación 16 A Fluidos Aplicación 17CFluidosAplicación 18CFluidosAplicación 19 B Fluidos Comprensión 20CFluidosAplicación

41 Síntesis de la clase Sólido Líquido Gaseoso Estados de la materia Fluidos Presión Principio de Pascal Densidad Peso específico Poseen características tales como

42 Síntesis de la clase EMPUJE Cuerpo flota Cuerpo se hunde Cuerpo emerge Peso del fluido desplazado Peso aparente Condición de flotabilidad

43 Prepara tu próxima clase En la próxima sesión estudiaremos Fluidos II: hidrodinámica, ecuación de Bernoulli

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45 Propiedad Intelectual Cpech RDA: 186414 ESTE MATERIAL SE ENCUENTRA PROTEGIDO POR EL REGISTRO DE PROPIEDAD INTELECTUAL. Equipo Editorial Área Ciencias: Física