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Las Fuerza y el
equilibrio de los Fluidos
Asignatura: Física y Química de 4º ESO
Profesor: David Leunda San Miguel
Curso 2010/2011
http://lapizarradelaciencia.wordpress.com/
Debate previo
Conocimientos de partida
En el tema de dinámica estudiamos:
Una fuerza puede producir una deformación
Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
Debate previoReflexiona sobre estas cuestiones:
¿Qué prefieres: un pisotón de un zapato plano o de un
zapato con tacón?
¿ Cuándo se hunde más la cama: si estas tumbado o bien en
posición vertical sobre ella?
¿Cómo clavarías un clavo: de punta o por la cabeza?
¿Cómo permanecerías sin hundirte en un estanque: de pie o
sobre una balsa?
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Debate previo
Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
En cada caso se ejerce la misma fuerza sobre el mismo objeto en dos
situaciones diferentes.
¿Por qué el resultado es tan distinto?
Cuanto menor es la superficie sobre la que actúa una
fuerza, mayor es su efecto. Este efecto se denomina
presión.
La presión que soporta cada punto del cuerpo del faquir es menor cuanto
mayor sea el número de clavos.
Presión
Concepto de Presión
Vamos a definir una nueva magnitud → La presión
Como vemos la presión depende de:
Fuerza, F
Superficie, S
Explica cual de las siguientes expresiones te parece más adecuada:
(1) P=F.S (2) P= F/S (3) P=S/F
Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
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Concepto de Presión
La presión nos informa de la fuerza ejercida sobre cada
unidad de superficie
La unidad de presión en el sistema internacional es el
N/m2, que recibe el nombre de Pascal (Pa).
1 Pa = 1 N/1m2
Presión
1bar =100000 Pa
1mbar=100 Pa
1atm = 760 mm de Hg = 101300Pa
Presión
Cuchillo: filo Raquetas de nieve
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La fuerza ejercida sobre un cuchillo se
concentra en una superficie muy pequeña
(el filo) produciendo una elevada presión
sobre los objetos deformándolos (corte).
Un esquiador, ejerce una presión baja sobre la
nieve debido a que su peso se distribuye sobre la
superficie de los esquís. De esta manera el efecto
deformador de su peso disminuye y no se hunde.
La presión puede darnos una medida del efecto
deformador de una fuerza. A mayor presión, mayor efecto
deformador.
Fluidos
¿Qué es un fluido?
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Los fluidos: Son líquidos y gases. Son sustancias que pueden
fluir, es decir, son capaces de pasar a través de pequeños
orificios. No tienen forma definida, sino que adoptan a la forma
del recipiente que los contiene.
Líquidos: Son poco compresibles
Gases: Son muy compresibles
Importante
Fluidos¿Qué es un fluido?
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Líquidos: Son poco compresibles
Gases: Son muy compresibles
Importante
Líquido: al presionar el émbolo,
no varía el volumen
Gas: al presionar el émbolo, varía el
volumen
Fluidos
¿Por qué motivo las presas de los pantanos tienen la forma de la
figura?
Pantano
Presa
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La pared en la parte inferior es más gruesa que en la superficie
Presión HidrostáticaPrincipio fundamental de la estática de fluidos
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Pesolíquido = mlíquido · g = dlíquido · Vlíquido · g
Peso = dlíquido· S · h · g
dlíquido· S · h · gdlíquido· h · g
Sp
F
S===
p= h.d.gh: profundidad
d: densidad del líquido
g: aceleración de la gravedad
N = m . Kg . N
m2 m3 2 Kg
Principio de PascalLlenamos completamente de agua una botella en la que hay cuatro
orificios cerrados con tapones que ofrecen la misma resistencia.
Si inyectamos agua con una jeringa ¿qué tapón saltará antes?
a) el A b) el D c) todos a la vez
Principio de Pascal
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Principio de Pascal
“La presión ejercida en un punto de un líquido se transmite
con la misma intensidad en todas las direcciones”.
Blaise Pascal (1623-1662).
Aplicaciones:
-Vasos comunicantes
-Prensa hidráulicaSi empujamos al émbolo, el líquido sale por todos los agujeros de
igual forma. Lo interpretamos diciendo que la presión se transmite
por igual a todos los puntos del fluido
Vasos comunicantes
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Vasos Comunicantes: dos o más recipientes conectados entre sí
que contienen un líquido.
¿En cual de ellos es mayor el nivel de líquido?
Respuesta: el mismo en todos ellos. El nivel de líquido en varios
vasos comunicantes es el mismo cualquiera que sea la forma de
cada uno.
Vasos comunicantes
¿Qué ocurriría si el nivel en uno de ellos fuera más alto
que en el resto?
Respuesta: la presión debida a esa columna líquida se
transmitiría a todo el líquido.
El nivel de los vasos ascendería hasta igualarse con el
primero
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Depósitos de agua¿Dónde se sitúan: en la parte más alta o en la parte más
baja de las poblaciones?
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Respuesta: en la parte más alta.
Así el agua fluye por las tuberías, alcanzando el mismo
nivel en todos los puntos.
¿Cómo se extrae agua de un pozo artesiano?
Depósitos de agua
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Respuesta: Si el nivel freático (nivel más alto que alcanza el
agua) se encuentra a mayor altura que la superficie en la
ubicación del pozo.
Sistemas hidráulicosElevador Hidráulico: se basa en el principio de Pascal.
Consta de dos recipientes cilíndricos de diferente sección,
llenos de líquido y conectados entre sí. Cada cilindro tiene
un pistón móvil.
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Fuerza
menor
Pistón pequeño
Pistón grande
Fuerza
mayor
Sistemas hidráulicosFreno Hidráulico: se basa en el principio de Pascal.
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Los sistemas hidráulicos amplifican la fuerza aplicada, pero no
la energía
Ejemplos: tren de aterrizaje de los aviones, puertas del autobús,
grúas articuladas
¿Por qué sube el agua por el jarrón?
La presión atmosférica¿Pesa el aire?
Respuesta: Sí
Puedes probar con una bombona de gas butano vacía y
llena y notarás la diferencia.
La masa de aire sobre la Tierra pesa. Es semejante a un
océano de aire de 100 Km de profundidad.
De acuerdo con el principio de la estática de fluidos, la
atmósfera ejerce una presión sobre los cuerpos situados en
su interior.
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La presión atmosférica
Evidencias de la presión atmosférica
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La presión atmosféricaSi llenamos un vaso completamente de agua, lo tapamos con una
cartulina y lo invertimos rápidamente, el agua no se cae.
a) La presión del aire empuja a la cartulina contra el vaso.
b) El agua succiona a la cartulina en esta posición.
c) El vacío impide que caiga el agua.
Respuesta: la presión del aire empuja la cartulina contra el vaso. El
agua no cae porque la fuerza debida a su presión atmosférica sobre la
cara inferior de la hoja del papel es superior al peso del agua sobre la
cara superior.
Presión atmosféricaAl succionar , el líquido sube por la pajita ¿Cual es la causa?
a) El peso del aire empuja sobre la superficie libre del líquido
b) El vacío creado en la pajita aspira el líquido.
c) Se crea un vacío en la boca y el líquido debe llenar ese vacío
La presión atmosférica
La presión atmosférica: la fuerza por unidad de superficie ejercida
por la atmósfera sobre los cuerpos situados en su interior.
Experiencia de E, Torricelli (1608-1647).
La presión ejercida por esta columna de líquido estaba equilibrada
por la presión ejercida por el aire.
El mercurio del tubo desciende
algunos centímetros, pero se
mantiene en equilibrio una columna
de 76 cm de altura
Tubo de vidrio lleno
de mercurio y cerrado
por un extremo
Cubeta de mercurio
La presión atmosférica
sostiene la columna de
mercurio
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La presión atmosférica
¿La altura de la columna de mercurio en la experiencia de Torricelli
varía según sea la anchura del tubo que se utilice?
Respuesta: NO
La altura de la columna de mercurio depende del valor de la presión
atmosférica, no de la anchura del tubo que se utilice.
La presión atmosférica¿Qué valor tiene la presión atmosférica?
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La experiencia de Torricelli equilibra una columna de 76 cm de
mercurio. Suponemos 1cm de sección, su volumen es 76 cm3 =
7,6.10-5 m3. La masa de la columna es:
El peso es:
La presión ejercida sobre la sección de 1cm2 =10-4m2
A nivel del mar
La presión atmosférica
RECUERDA: presta atención a las unidades!
1atm = 760 mm de Hg = 101300 Pa = 1013 mbar
dagua = 1000 Kg
m3 1L = 1dm3
Densidad del agua
La presión atmosféricaVariación de la presión atmosférica con la altitud
Respuesta: A mayor altitud, tendremos menor presión
¿Dónde es mayor la presión: en una montaña o a nivel del mar?
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De acuerdo con el principio
fundamental de la hidrostática la
presión en un fluido varía con la
profundidad. El valor anterior de
presión corresponde al nivel del mar.
Su valor disminuye con la altura. Y
llega a anularse para alturas próximas
a 100 Km.
La presión atmosférica y la altitud
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Nivel del mar
La presión atmosférica
¿Cómo se mide la presión atmosférica?
Tipos de barómetros: metálicos y de mercurio
Barómetro metálico
Consta de una caja metálica en
cuyo interior se ha hecho vacío:
la presión atmosférica deforma
la caja y es medida con una
aguja acoplada y graduada
Barómetro de mercurioMás preciso. Consiste en un
tubo de mercurio abierto por un
extremo y sumergido en una
cubeta del mismo líquido. La
altura de la columna representa
el valor de presión
Respuesta: Barómetro
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¿Por qué es más fácil levantar a alguien en el agua que en el aire?
¿Por qué flotan los barcos?
¿Por qué las ballenas pueden mover en el agua su pesado cuerpo?
Respuesta: Se basa en el principio de Arquímedes.
Los cuerpos sumergidos en agua experimentan una fuerza de
empuje hacia arriba.
Esta fuerza de empuje supone una disminución aparente del peso.
Arquímedes: Fuerza de empuje
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Arquímedes: Fuerza de empuje
DinamómetroMide el peso: Fuerza
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¿Se observaría este mismo efecto en un cuerpo que se encuentre
el seno de un gas?
Respuesta: Sí, aunque la pérdida aparente de peso es menor que en
el caso de los líquidos.
Arquímedes: Fuerza de empuje
Conclusión: Siempre que un cuerpo se encuentre en el
interior de un fluido, sobre él actúa la fuerza de empuje
que tiene dirección y sentido hacia arriba.
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Arquímedes: Fuerza de empuje
Para sumergir una pelota en el agua, hay que vencer la fuerza de
empuje si después se suelta, el empuje la hace saltar por encima
de la superficie
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El principio de Arquímedes Arquímedes (Siglo III a.C):
Descubrió que la fuerza de empuje sobre un cuerpo sumergido en
un líquido es igual al peso del líquido desplazado por el cuerpo.
La Fuerza de empuje E, es la resultante entre las dos fuerzas que
ejerce un líquido de dL sobre la cara superior e inferior del cuerpo
sumergido.
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E=F2-F1= p2 S - p1 S
Aplico Principio fundamental de la Hidrostática:
E=h2.dL.g.S - h1.dL. g. S = (h2-h1).S. dL. g
(h2-h1). S = Vcuerpo (m3) = Vlíquido desplazado (m3)
Unidades:
Kg . m3 . m = Kg. m
m3 s2 s2E= Vcuerpo.dlíquido.g = mL.g
Principio de Arquímedes
Principio de Arquímedes:
Todo cuerpo sumergido parcial o totalmente en un fluido
(líquido o gas), experimenta una fuerza (empuje) vertical
y hacia arriba igual al peso del fluido desalojado.
Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
http://www.educaplus.org/play-133-Principio-de-Arquímedes.html
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Un sólido sumergido completamente en un fluido está sometido a dos fuerzas : el
peso hacia abajo y el empuje hacia arriba.
P < E
P = E
Peso
Empuje
El cuerpo se
hunde
El cuerpo
asciende
El cuerpo se mantiene en
equilibrio
Peso
Empuje
P > E
Empuje
Peso
Arquímedes
Arquímedes¿Es constante la fuerza de empuje?
Respuesta: No. Depende de la porción de sólido que se encuentra
sumergido.
Esta porción de sólido sumergido determina el volumen de líquido
desplazado.
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¿Por qué flotan los barcos?
Respuesta: Porque el empuje debido al peso del agua que desaloja
su parte sumergida equilibra su peso.
¿Por qué suben y bajan los submarinos en el mar?
Respuesta: mediante el llenado o vaciado de tanques de agua. Al
aumentar el peso, el submarino se hunde. Al expulsar el agua de
sus depósitos, el peso es menor que el empuje y sube.
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Equilibrio de sólidos en fluidos
Principio de Arquímedes:
Aplicaciones
Principio de Arquímedes:
Aplicaciones
¿Cómo vuelan los aerostatos?
Respuesta: El principio de Arquímedes es el responsable del empuje
aerostático, fundamento de la elevación de los globos y aeróstatos.
Son aeronaves llenas de un gas menos denso que el aire (helio), o
bien aire caliente. Son menos densos que el aire. Su peso es menor que
el empuje sobre ellos.
Controlando el peso mediante lastres y el empuje mediante la cantidad
de gas encerrado se dirige el ascenso y el descenso.
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Principio de Arquímedes:
AplicacionesDensímetro
Permite ver la densidad de un líquido. Al sumergirlo en un líquido, el
empuje equilibra su peso: la porción de densímetro que sobresale
depende de la densidad del líquido. Lleva una escala graduada.
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Mosto Vino
( ↑azúcar) (↓azúcar)
Densidad mayor Densidad menor
d= 1030 g/l d= 990 g/l
Fermentación alcohólica
La densidad va disminuyendo a medida que avanza la fermentación.
Por ejemplo: permite ver el descenso de densidad del mosto en
fermentación.
CuriosidadMar muerto
Elevada salinidad: 27 % (en peso). Resto de mares y océanos tienen entre
un 2-3%. Entre Israel y Jordania. Es el agua más salado y denso del
mundo.
La elevada salinidad, hace que aumente la densidad del agua y por tanto
el empuje que experimenta un cuerpo en su interior.
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FIN
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