I.T.I.FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS Por lo tanto, si un objeto de 20 lb ocupa un volumen de 4 ft3, tiene un peso Félix Rodríguez específico Slb/ft3. Guía 3 – Física Dos – Grado 11 El peso de un cuerpo no es constante sino que varía de acuerdo al lugar. Fluidos Una relación más útil para la densidad aprovecha el hecho de que la masa es una constante universal, independientemente de la gravedad. Los líquidos y los gases se conocen como fluidos porque fluyen libremente y La densidad o masa específica p de un cuerpo se define como tienden a llenar los recipientes que los contienen. Los fluidos ejercen fuerzas la relación de su masa m con respecto a su volumen V. sobre las paredes de los recipientes donde están contenidos. Esas fuerzas actúan sobre áreas definidas y originan una condición de presión. En la prensa hidráulica se utiliza la presión del fluido para elevar cargas pesadas. La estructura de los depósitos de agua, las presas y los grandes tanques de Las unidades de la densidad son el resultado del cociente de unidad de aceite se diseñan, en gran parte, tomando en cuenta la presión. En el diseño masa entre unidad de volumen, por ejemplo, gramos por centímetro cúbico, de barcos, submarinos y globos meteorológicos se deben tomar en cuenta la kilogramos por metro cúbico, o slugs por pie cúbico. presión y la densidad del fluido circundante. La relación entre peso específico y densidad se determina recordando que W = mg. Por consiguiente, TRABAJO Antes de estudiar la estática y la dinámica de fluidos, es importante entender la relación entre el peso de un cuerpo y su volumen. Por ejemplo, nos referimos al plomo o al hierro como materiales pesados, mientras que a la En las unidades del SUEU, la materia se describe generalmente en términos madera y al corcho los consideramos ligeros. Lo que en realidad queremos de su peso. Por esta razón, el peso específico se usa con más frecuencia expresar es que un bloque de madera es más ligero que un bloque de plomo cuando se trabaja con este sistema de unidades. En cambio, en las unidades si ambos son de tamaño similar. Los términos ligero y pesado son de del SI, la masa es la cantidad más conveniente y se prefiere emplear la carácter comparativo. Como se ilustra en la figura 1, es posible que un densidad de masa. La Tabla 1 muestra los pesos específicos y las bloque de plomo pese lo mismo que un bloque de madera si su tamaño densidades de algunas sustancias ordinarias. relativo difiere en forma considerable. Por otra parte, 1 ft3 de plomo pesa Otro método para indicar las densidades de las sustancias es por medio de más de 6 veces lo que pesa 1 ft3 de madera. su gravedad específica, la cual compara su densidad con la del agua. Por La cantidad que relaciona el peso de un cuerpo con su volumen se conoce ejemplo, una sustancia que es la mitad de densa que el agua tendrá una como peso específico. gravedad específica de 0.5. El peso específico D de un cuerpo se define como la relación de La gravedad específica de una sustancia se define como la su peso W entre su volumen V. Las unidades son el newton por relación de su densidad con respecto a la densidad del agua a metro cúbico (N/m3) y la libra por pie cúbico (lb/ft3). 4°C (1000 kg/m3). Un mejor nombre para esta cantidad es densidad relativa, pero el término gravedad específica se usa más ampliamente. 1 puede Puesto que el peso del fluido que está por arriba de un punto en cuestión es soportar que se le aplique una fuerza sin que cambie apreciablemente su proporcional a su densidad. podemos escribir el peso de la columna como que lo contiene siempre actúa en forma perpendicular a esas paredes.PRESIÓN barril con agua (fig. en lugar de hasta la profundidad h. Si el fluido no está restringido en su una columna rectangular de agua cuyas dimensiones van desde la superficie movimiento. Cualquier persona que haya tratado de mantener una fuerza hacia abajo en ambos casos. donde D es la densidad de peso del fluido. 2). Si esto no fuera cierto. una mujer que usa tacones puntiagudos daña más los Al reflexionar un momento se deduce que el líquido también ejerce una pisos que si usara tacones anchos. lo hace sobre un sólido. al N/m2 se le llama pascal (Pa). con los tacones agudos su peso se balsa por debajo de la superficie del agua se convence de inmediato de la reparte sobre un área mucho menor. Por otra parte. newtons por metro cuadrado y libras por pulgada De igual manera que los grandes volúmenes de objetos sólidos ejercen cuadrada. Esto se debe al peso del líquido que se encuentra arriba. un líquido puede soportar una fuerza únicamente en proporcional a la densidad del fluido. empezará a fluir bajo el efecto del esfuerzo cortante. Un objeto sólido puede ejercer únicamente una fuerza hacia abajo debido a su peso. Aun cuando la dama ejerce la misma presión hacia arriba. presión resulta de la relación entre cualquier unidad de fuerza entre la unidad de área. A la fuerza normal por unidad de área existencia de una presión hacia arriba. Simbólicamente. columna completa actúa sobre el área A en el fondo de la columna. Puesto que el sólido es un cuerpo rígido. En realidad nos damos cuenta de que se le llama presión. En el sistema SI de unidades. A cualquier profundidad en un fluido la presión es la misma en todas direcciones. La presión (peso por unidad de Ésta es una característica propia de los fluidos que hace que el concepto de área) a la profundidad h está dada por presión sea muy útil. La unidad de objeto suspendido. El fluido en el fondo de un recipiente fluidos. Por ejemplo. como se aprecia en la figura. El grandes fuerzas contra el lugar que los soporta. El peso de la deformarse elásticamente. Por ejemplo. los fluidos ejercen gran kilopascal (kPa) es la unidad de medida más apropiada para la presión de presión al aumentar la profundidad. la presión P está dada por Los fluidos ejercen presión en todas direcciones. Si se perforan agujeros a los lados y al fondo de un 2 . Sin embargo. La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente Partiendo de la ecuación. Esto puede visualizarse considerando una superficie o frontera cerrada. actúa. La figura 3 muestra un líquido bajo presión. sobre las paredes del recipiente y sobre las superficies del donde A es el área donde se aplica la fuerza perpendicular F. como se muestra en la figura 4. Las fuerzas actúan sobre la cara del émbolo. el fluido podría fluir bajo la influencia de PRESIÓN DEL FLUIDO una presión resultante hasta que se alcanzara una nueva condición de Es importante la diferencia entre cómo actúa la fuerza sobre un fluido y cómo equilibrio. se demuestra que la fuerza ejercida por el agua es en La eficiencia de una cierta fuerza a menudo depende del área sobre la que cualquier parte perpendicular a la superficie del barril. la presión a cualquier profundidad es también forma. es preciso señalar una diferencia entre la presión ejercida por los sólidos y la que se produce en el caso de los líquidos. siempre está sometido a una presión mayor que la que experimenta cerca de la superficie. el mercurio busca su propio nivel ya que se ejerce 1 atm de profundidad). la unidad de área. total al fondo de un recipiente es igual al peso de una columna recta de agua sobre el área de la base. en todos los recipientes.7 lb/in2.3 kPa. El agua adicional en cada caso se apoya mediante componentes verticales de las fuerzas ejercidas por las paredes del recipiente sobre el fluido. El resultado obtenido se conoce como la presión manométrica. debemos recordar algunas de las ejemplo. en términos de densidad. La mayoría de los dispositivos que permiten medir la presión directamente Parte del problema de entender esta paradoja proviene de la confusión de miden en realidad la diferencia entre la presión absoluta y la presión los términos presión y fuerza total. que generalmente es mercurio. Un aparato muy común para medir la presión manométrica es el manómetro de tubo Si el fondo de los recipientes B. su propio peso. (figura 6. la fuerza superficie del fluido. por lo que la presión es la misma atmósfera ejerce al nivel del mar. Cualquier líquido en un recipiente abierto.o bien. o 14. en el recipiente A el área del líquido en el fondo del recipiente es mucho mayor que el área del fondo La presión atmosférica al nivel del mar es 101. el mercurio se eleva en el tubo abierto hasta 3 . por líquido? Para responder estas preguntas. El manómetro consiste en un tubo en forma de U decir que las fuerzas totales también son iguales en el fondo de estos que contiene un líquido. si se Una presión externa aplicada a un fluido confinado se transmite llenan los recipientes con líquido se demuestra que los niveles son iguales uniformemente a través del volumen del líquido. 101. Por lo tanto. Desafortunadamente. está sujeto a la presión atmosférica además de la presión debida a características ya estudiadas acerca de los fluidos. Debido a que la del recipiente D. mostrado en la figura 7. como muestra la figura 5. Parecería a primera Pascal (1623-1662). y se conoce como ley de Pascal.3 kPa. se enuncia vista que el mayor volumen contenido en el recipiente A ejercería mayor como sigue: presión en el fondo que el recipiente D. Pero la fuerza una unidad de presión de 1 atmósfera (atm). definida como la presión media que la más grande se aplica sobre un área mayor. Esto significa que el líquido en el recipiente A ejercerá una presión atmosférica participa en gran número de cálculos. con frecuencia se usa fuerza total mayor en el fondo que el líquido del recipiente D. Tampoco se dio información acerca de la trayectoria que sigue el agua o el tamaño de las tuberías que conectan el MEDICIÓN DE LA PRESIÓN tanque con la toma de la casa. El primero en enunciar este hecho fue el matemático francés Bias diferentes áreas y formas. las presiones son iguales a cualquier del tubo están abiertos. no consideramos el área total cuando se resuelven problemas que incluyen a la presión. C y D tuvieran la misma área podríamos abierto. (Por supuesto. Se puede preguntar por qué las fuerzas totales pueden ser presión en cada uno de los extremos abiertos. en ambos recipientes. Como la presión se mide en términos de atmosférica. conecta a una cámara presurizada. Puesto que el líquido es relativamente incompresible. Sin embargo. Cuando ambos extremos recipientes. Por ejemplo. El efecto de tal diferencia de presión forzaría al líquido a elevarse más en el recipiente D. Cuando uno de los extremos se iguales cuando los recipientes B y C contienen un mayor volumen de agua. las fuerzas que actúan proporcional a la densidad del fluido y a la profundidad bajo la sobre los lados no tienen componentes hacia arriba. es decir. la presión externa de la atmósfera se trasmite por igual a través del volumen Considere una serie de recipientes que se comunican entre sí y que tienen del líquido.) La presión del fluido en cualquier punto es directamente Cuando las paredes del recipiente son verticales. En general. este ¿No tienen algún efecto la forma o el área del depósito sobre la presión del caso no es el más frecuente. ¿Debemos suponer que nuestra respuesta es La presión que se estudió en la sección previa se debe únicamente al propio correcta cuando se fundamenta tan sólo en la diferencia de niveles del agua? fluido y puede calcularse a partir de la ecuación. En el ejemplo 3 no se mencionó la forma o el tamaño del tanque de almacenamiento del agua. que las presiones se igualan. La fuerza de Por lo general. En resumen. Entre los ejemplos más comunes están: la dirección hidráulica de vehículos (servodirección). la trabajo de entrada debe ser igual al trabajo de salida si despreciamos la altura de la columna por arriba del nivel del mercurio en la cubeta indica la presión fricción. Simbólicamente escribimos sumergen en agua. el gato hidráulico. la presión atmosférica se mide en el laboratorio con un barómetro de salida está dada por mercurio. La diferencia entre los dos niveles de mercurio es una medida de la presión manométrica: la diferencia entre la presión absoluta en la cámara y la presión atmosférica en el extremo abierto. podemos escribir las siguientes medidas equivalentes de la presión atmosférica: Esta relación conduce a otra expresión útil para la ventaja mecánica ideal de una prensa hidráulica: PRENSA HIDRÁULICA La aplicación más frecuente de la ley de Pascal es la prensa hidráulica. el cubeta. líquido de la columna de la derecha. Por lo tanto. si una fuerza de entrada Fi actúa sobre un émbolo de área A¡. se llena de mercurio. causará una fuerza de salida F0 que actúa El principio de la prensa hidráulica se aprovecha en múltiples dispositivos mecánicos y sobre un émbolo de área A0 de modo que de ingeniería. Puesto que la presión en el tubo sobre la columna de mercurio es cero. El extremo abierto se tapa y el tubo se invierte en una cubeta de mercurio. El manómetro se usa con tanta frecuencia en situaciones de laboratorio que la presión atmosférica y otras Una pequeña fuerza de entrada puede ser multiplicada para producir una presiones se expresan a menudo en centímetros de mercurio o pulgadas de fuerza de salida mucho mayor utilizando simplemente un émbolo de salida mercurio. En realidad.7 lb/in2 hará que el nivel de salida F0 viaja una distancia s0. Si la fuerza de entrada Fi recorre una distancia si mientras la fuerza atmosférica. Al nivel del mar. Por aplicada al líquido en la columna izquierda se transmitirá íntegramente al esta razón. el mercurio fluye hacia afuera del tubo hasta que la presión ejercida por la columna de mercurio equilibra exactamente la presión atmosférica que actúa sobre el mercurio de la De acuerdo con los métodos desarrollados para las máquinas simples. Si no se tapa el extremo abierto. una presión Observe que la ventaja mecánica se gana a expensas de la distancia de entrada. la mayoría de las aplicaciones utilizan un sistema de válvulas para permitir que el pistón de salida se eleve por una serie de impulsos cortos del pistón de entrada. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES Cualquier persona que está familiarizada con la natación y otros deportes La ventaja mecánica ideal de tal dispositivo es igual a la relación de la fuerza acuáticos ha observado que los objetos parecen perder peso cuando se de salida con respecto a la fuerza de entrada. Un tubo de vidrio. Un antiguo matemático 4 . con una área mucho mayor que la del émbolo de entrada. De acuerdo con el principio de Pascal. El principio de su operación se muestra en la figura 8. o 30 in. los amortiguadores y el sistema de frenos de los automóviles. que se ilustra en la figura 9. el objeto puede incluso flotar en la superficie debido a la presión hacia arriba ejercida por el agua. cerrado en un extremo. una presión atmosférica de 14. podemos escribir del mercurio en el tubo se estabilice a una altura de 76 cm. disco es FLUJO DE FLUIDOS Las dificultades matemáticas a las que hay que enfrentarse cuando se donde h2 es la profundidad medida en la parte inferior del disco. lo cual da por resultado una todos los fluidos en movimiento muestran una corriente laminar o flujo fuerza neta hacia arriba. La tarea se h2 es mayor que h1. fue el primero que estudió el empuje vertical hacia arriba ejercido por los fluidos. Por supuesto. Arquímedes (287-212 a.C. La fuerza neta hacia arriba ejercida por el fluido sobre el disco se llama empuje y está dada por La figura 12 muestra las líneas de corriente de flujo de aire que pasan por dos obstáculos estacionarios. En este caso. el cuerpo se elevará hasta la superficie y flotará. según la figura 10. éste ni se hunde ni se va hasta arriba. obtenemos este importante resultado: El principio de Arquímedes se puede demostrar estudiando las fuerzas que ejerce el fluido sobre un cuerpo que se encuentra suspendido en él. Al aplicar este resultado debemos recordar que la ecuación nos permite calcular únicamente el empuje ocasionado por la diferencia de presiones. la presión hacia arriba P 2 en la parte inferior del por un bloque de madera.griego. fuerza hacia arriba como F2. La figura 11 demuestra esto mediante el uso de un donde Pa es la presión atmosférica y h1 es la profundidad en la parte superior recipiente cilíndrico con vertedero y un vaso para recibir el fluido desalojado del disco. Recuerde que la presión a cualquier profundidad h en el fluido está dada por que es el principio de Arquímedes. si deseamos representar la presión absoluta dentro peso del fluido que desaloja (el empuje) es menor que el peso de dicho del fluido. Puesto que intenta describir el movimiento de un fluido son formidables. Cuando el cuerpo flota y alcanza el equilibrio en la superficie. Finalmente. tenemos que sumar también la presión externa ejercida por la cuerpo.). si recordamos que el peso del fluido desalojado. Un cuerpo se sumergirá si el gravedad. Si el peso del fluido desalojado es exactamente igual al peso del atmósfera. Ante todo. No donde p es la densidad de masa del fluido y g es la aceleración de la representa en realidad la fuerza resultante. La presión total hacia abajo P1 ejercida sobre la parte superior cuerpo sumergido. podemos escribir El flujo aerodinámico es el movimiento de un fluido en el cual cada partícula en el fluido sigue la misma trayectoria (pasa por un punto particular) que siguió la partícula anterior. En forma similar. Observe que las líneas de corriente se rompen 5 . El principio de Arquímedes se enuncia en la siguiente forma: Un objeto que se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al donde H = h2 – h1 es la altura del disco. como se muestra en la figura 10. el del disco. Si representamos la fuerza hacia abajo como F1 y la aerodinámico. desplazará su propio peso de líquido. la presión registrada en la parte inferior del disco es facilitará si hacemos ciertas suposiciones. volumen del disco es V = AH. es por lo tanto: cuerpo estará en equilibrio. Si el peso del fluido desalojado excede al peso del cuerpo sumergido. consideraremos que mayor que la presión en su parte superior. Considere un disco de área A y de altura H que está totalmente sumergido en un fluido. El nivel del fluido en el tubo situado sobre la parte angosta es más bajo que el nivel en las áreas adyacentes. En otras palabras. Para acelerar un líquido que. rápidamente. PRESIÓN Y VELOCIDAD El gasto se define como el volumen de fluido que pasa a través La velocidad de un fluido aumenta cuando fluye a través de un de cierta sección transversal en la unidad de tiempo. y más lentamente a través de secciones más amplias. Simbólicamente escribimos La figura 16 muestra dos métodos que se pueden usar para demostrar la disminución de la presión debida al aumento de velocidad. Este principio es la causa de que el agua fluya más rápido cuando las orillas de un arroyo en Vamos a considerar. El carburador de un automóvil utiliza el principio venturi para Si el fluido es incompresible y no tomamos en cuenta los efectos de la mezclar vapor de gasolina y aire. origina un área de baja presión variación en la sección transversal en la tubería. cada constricción. litros por segundo y galones por El efecto venturi tiene muchas otras aplicaciones tanto para líquidos como minuto. Ejemplos frecuentes de esto son: pies cúbicos por tubería horizontal. con una velocidad media v. incrementando el Un líquido fluye con más rapidez a través de una sección estrecha de tubería arrastre por fricción a través del fluido. generando corriente turbulenta y remolinos. para gases. Si h es la diferencia de altura. En estas condiciones. La disminución en la presión se usa figura 14. el gasto R permanecerá constante. la presión en los puntos A y C. como se muestra en la a medida que aumenta su velocidad. la fuerza de empuje proveniente de la sección un líquido que fluye a lo largo de una tubería como la que se ilustra en la transversal amplia debe ser mayor que la fuerza de resistencia de la figura 13. Partiendo de la determinación de la diferencia de la presión. Un ejemplo más 6 . Esto significa que una constricción en su camino hacia los cilindros. de tal modo para enviar combustible a la columna de aire. Para expresar esta relación en forma cuantitativa. muestra el principio del medidor venturi. como se muestra en la figura 15. presentan una fricción interna apreciable. la diferencia de presión está dada por Por lo tanto. el gasto (volumen por unidad de tiempo) se puede calcular partiendo de Esto es cierto si se supone que la tubería está en posición horizontal y que no se producen cambios de presión debido al cambio de energía potencial. Estos pequeños remolinos representan el flujo turbulento y absorben gran parte de la energía del fluido. angostamiento. Los tubos insertados en la tubería que fluye a través de la sección transversal A está dado por sobre dichos puntos indican claramente la diferencia de presión. da por resultado un cambio en la velocidad del líquido. consideraremos el caso de entra a la constricción. que los fluidos son incompresibles y que no algunas partes están más cercanas entre sí. además. En un intervalo de tiempo t. El volumen V 15 debe ser mayor que la presión en B. El aire que pasa a través de una fricción interna. en la figura partícula en la corriente se mueve a través de una distancia vt. donde s evaporiza que el producto vA permanece constante. Las unidades de R expresan la relación de una unidad de volumen entre una este dispositivo hace posible el cálculo de la velocidad del agua en una unidad de tiempo. se pueden hacer algunas predicciones acerca de la velocidad de flujo del fluido a lo largo de una tubería o de otro recipiente. Un incremento en la velocidad únicamente se puede deber a la presencia de una fuerza de aceleración. segundo. metros cúbicos por segundo. El ejemplo 9.cuando el aire pasa sobre el segundo obstáculo. como muestra la figura. El trabajo neto debe ser la suma del trabajo realizado por la fuerza de entrada F1 y el trabajo negativo efectuado por la fuerza de resistencia F2. Si se sopla a través del extremo abierto. se han destacado cuatro parámetros: la presión P. En consecuencia. descubrirá que el disco se adhiere más al otro extremo. la velocidad v y la altura h sobre algún nivel de referencia. el trabajo necesario para mover cierto volumen de fluido a lo largo de la tubería debe Ahora estamos preparados para aplicar el principio de la conservación de la ser igual al cambio total en energía potencial y cinética. La energía potencial de un fluido a una altura h sobre algún punto de El primero en establecer la relación entre estas cantidades y su capacidad referencia se define como mgh. Puesto que este volumen es el mismo en la por encima del papel se reducirá. La presión en la corriente de aire mueve a través de la tubería. Por lo tanto. Los pasos que condujeron al desarrollo de esta relación consiguiente. La explicación es que el aire que fue soplado en el carrete debe escapar a través del estrecho espacio entre el disco y el extremo del carrete. donde m es la masa inmediato. como se puede ver en la figura 16a. lo que nos da 7 .sencillo consiste en soplar aire por encima de la superficie de una hoja de El producto del área y la distancia representa el volumen V del fluido que se papel. podemos sustituir V = m/p. incremento de altura del fluido de h1 a h2: Puesto que un fluido tiene masa. Una segunda demostración requiere de un carrete. del fluido y v es su velocidad. Esta acción crea un área de baja presión. un disco de cartulina y un alfiler (figura 16b). Por (1700-1782). El para describir fluidos en movimiento fue el matemático suizo Daniel Bernoulli volumen del fluido que se mueve a lo largo de la tubería es constante. En nuestro ejemplo. el cambio en la energía potencial es el resultado del fundamental se pueden comprender considerando la figura 17. de modo que Si la densidad del fluido es p. únicamente hay un cambio en la atmosférica externa empuje al disco contra el carrete. el cambio en la energía cinética es LA ECUACIÓN DE BERNOULLI En el estudio sobre fluidos. la densidad r. Uno esperaría que el disco de cartulina se despegara de La energía cinética Ek de un fluido se define como mv2. energía cinética ∆Ek debido a la diferencia de velocidad del fluido. Esto permite que el exceso de presión en parte inferior que en la parte superior de la tubería. El alfiler se clava a través del disco de cartulina y se y obtener coloca en uno de los extremos del carrete. lo que permite que la presión Puesto que la masa permanece constante. El trabajo neto realizado sobre el sistema debe ser igual a la suma trabajo requerido para mover el fluido del punto a al punto b en la figura 17a. Consideremos el energía. debe obedecer a las mismas leyes de la conservación establecidas para los sólidos. podemos sustituir la parte inferior empuje al papel hacia arriba. de los incrementos en energía cinética y energía potencial. donde mg representa el peso del fluido. Pero F1 = P1A1 y F2 = P2A2. En tales casos. la velocidad. cuando un líquido es estacionario. Otro Como una aplicación final. Si la tubería de la P2). P1 = P2 y v2 = 0. lo que nos da a partir de la ecuación de Bernoulli. En la figura 18 un líquido sale de un orificio situado cerca del fondo de figura 20 es horizontal. La velocidad de descarga aumenta con la profundidad. En vista de que los subíndices 1 y 2 se refieren a dos puntos cualesquiera. podemos establecer que h1 = h2 en la ecuación de un tanque abierto. considere el efecto venturi que describe el resultado importante se presenta cuando no hay cambio en la presión (P 1 = movimiento de un fluido a lo largo de una constricción.Si se multiplica por p/m y se reordenan los términos se obtiene la ecuación de Bernoulli: o bien. Entonces. Además. Por ejemplo. La relación de Torricelli nos permite expresar el gasto en específico del fluido. debe tomarse en cuenta que la presión del Puesto que v1 es mayor que v2 se deduce que la presión P1 debe ser menor líquido tanto en la parte superior como en el orificio es igual a la presión que la presión P2 para que se satisfaga la ecuación. ecuación de Bernoulli son unidades de presión. O sea. una forma simple. Observe que las unidades de cada término de la términos de la altura del líquido sobre el orificio. lo que reduce la ecuación de Bernoulli a 8 . √ APLICACIONES DE LA ECUACIÓN DE BERNOULLI En gran número de situaciones físicas. Recuerde que p es la densidad y no el peso según la ecuación. Debemos suponer que el nivel del líquido en el tanque desciende lentamente en comparación con la velocidad de salida. la ecuación de Bernoulli se puede enunciar en una forma más simple como Esta relación se conoce como teorema de Torricelli: √ Note que la velocidad de salida de un líquido a la profundidad h es la misma La ecuación de Bernoulli encuentra aplicación en casi todos los aspectos del que la de un objeto que se dejara caer del reposo desde una altura h. de tal modo que la velocidad v2 en la parte superior puede considerarse cero. Esto ocurre porque llega al piso más pronto. la ecuación de Bernoulli adquiere en la figura 19. Aunque la velocidad de descarga aumenta de presiones es por debajo del punto medio. Esta ecuación es idéntica a la relación estudiada para fluidos en reposo. La ecuación de Bernoulli nos mostrará que la diferencia la mitad de la columna de agua. Su velocidad cuando sale del orificio puede determinarse Bernoulli. el agua golpea el piso más cerca. la altura o la presión de Un ejemplo interesante para demostrar el principio de Torricelli se muestra un fluido son constantes. flujo de fluidos. atmosférica. tanto v 1 Observe que el alcance máximo se logra cuando la abertura se encuentra a como v2 valen cero. Las perforaciones equidistantes por encima y por abajo del punto medio tendrán el mismo alcance horizontal. La presión P debe reconocerse como la presión absoluta y La velocidad a la cual un líquido fluye desde un orificio está dada por vA no la presión manométrica. 9 . 6 La presión en el fondo de cada recipiente sólo es función de la profundidad del líquido y es la misma en todas direcciones. Fig. sobre el fondo de cada uno de ellos es también igual. 5 El agua siempre busca su propio nivel lo cual indica que la presión es independiente del área o de la forma del recipiente. Puesto que el área en el fondo es la misma en ambos recipientes. 1 Comparación de la relación peso y volumen para plomo y madera. FIGURAS Fig. Fig. Fig. Fig. densidad y profundidad. 4 Relación entre presión. 3 Los fluidos ejercen presión en todas direcciones. 2 Las fuerzas ejercidas por un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene son perpendiculares en todos los puntos. la fuerza total ejercida Fig. 11 Un cuerpo que flota desaloja su propio peso de fluido. Fig. Fig. 12 Flujos laminar y turbulento en la trayectoria de un fluido. 7 Manómetro de tubo abierto. La presión se mide por la altura Fig. 10 El empuje que se ejerce sobre el disco es igual al h de la columna de mercurio. 8 Barómetro Fig. 9 Prensa hidráulica. peso del fluido que se desaloja. Fig.Fig. 10 . 15 El incremento de la velocidad de un fluido que se desplaza a través de una sección más estrecha de un tubo provoca una caída en la presión. 16 Demostraciones de la disminución de presión que resulta de un incremento en las velocidades del aire. Fig. Fig. Fig. Fig. Fig. 11 . el producto de la velocidad del fluido por el área de la sección transversal del tubo es constante en cualquier punto. 17 Deducción de la ecuación de Bernoulli. Fig. 14 En el flujo laminar. 13 Cálculo de la velocidad de un fluido que circula por un tubo. 18 Teorema de Torricelli. 19 La velocidad de descarga aumenta con la profundidad por debajo de la superficie. 12 . pero el alcance es máximo en el punto medio. TABLA 1 DENSIDAD DE MASA Y PESO ESPECÍFICO Fig. Fig. 20 Flujo de un fluido a lo largo de un estrechamiento en una tubería horizontal. cada uno con un área de 0. ¿Cuál es la presión ejercida por los tacos sobre el suelo? Exprese la respuesta en ( ) ( ) unidades del SI. obtenemos El émbolo más pequeño y el más grande de una prensa hidráulica tienen diámetros de 2 y 24 in. Suponga que.01 in2). la presión se vuelve mayor.01 in2 en Solución (a) contacto con el piso. (a) ¿Qué fuerza de entrada se requiere para proporcionar una fuerza total de salida de 2000 lb al émbolo grande? (b) ¿Qué desplazamiento debe tener el émbolo pequeño para elevar el grande 1 in? EJEMPLO 2 Un zapato de golf tiene 10 tacos.2 m de diámetro. EJEMPLO 1 En la medida en que disminuye el área del zapato que está en contacto con el suelo. obtenemos Aplicando la ecuación. ¿Cuántos kilogramos de gasolina es capaz de almacenar el tanque? Solución Primero se calcula el volumen: EJEMPLO 3 Sustituyendo el volumen y la densidad de masa en la ecuación. Es fácil darse cuenta de por qué se Un tanque cilíndrico de gasolina tiene 3 m de longitud y 1. ( ) 13 . Sustituyendo en la ecuación queda Solución (b) Convirtiendo a unidades del SI. hay un instante en que los 10 La ventaja mecánica ideal es tacos soportan el peso completo de una persona de 180 lb. podemos calcular la distancia de entrada.1 in2 (10 x 0. debe tomar en cuenta este factor cuando se va a construir el piso. al caminar. respectivamente. Solución La fuerza de entrada requerida es El área total que está en contacto con el piso es 0. (a) ¿Qué volumen del corcho se encuentra bajo la superficie cuando el corcho flota en agua? (b) ¿Qué fuerza hacia abajo es necesaria para sumergir el corcho por completo? La fuerza requerida F para sumergir al corcho es Solución (a) El corcho desplazará un volumen de agua igual a su propio peso. El empuje es igual al peso de 4 cm3 de agua. el volumen del corcho bajo el agua es también 0. el peso de 4 cm3 de corcho es EJEMPLO 5 Puesto que W = pgV. el volumen del agua desalojada es El agua fluye a través de una manguera de hule de 2 cm de diámetro a una velocidad d 4 m/s. Observe que aproximadamente el 21 por ciento del corcho se encuentra bajo el agua. se podría calcular a qué profundidad se sumergiría el corcho en el agua. de donde Solución (b) Para sumergir el corcho se debe ejercer una fuerza descendente F. EJEMPLO CONCEPTUAL 4 Un corcho tiene un volumen de 4 cm3 y una densidad de 207 kg/m3. Como el área A es Por lo tanto. 14 . proporcional al cuadrado del diámetro. además del peso W del corcho. La suma de estas fuerzas es igual al empuje FB: Sacando raíz cuadrada a cada término de la ecuación nos da La fuerza necesaria F es por lo tanto igual a la diferencia entre el empuje y el peso del corcho. (a) ¿Qué diámetro debe tener el chorro si el agua sale a 40 m/s? (b) ¿Cuál es el gasto en metros cúbicos por minuto? Solución (a) El gasto es constante.828 cm3. o sea que A1 v1 = A2v2. tenemos Si el área de la superficie flotante fuera conocida. Recordando que 1 cm3 = 1 x 10–6 m3. es peso específico. tenemos del fluido y a la profundidad en el fluido: 15 . a partir de la ecuación. La diferencia de presión. la velocidad a lo largo de la constricción es √ EJEMPLO CONCEPTUAL 6 Por un tubo Venturi como el de la figura 20 fluye agua inicialmente a 10 ft/s. es densidad y presión. que es fuerza por unidad de volumen. Multiplicando ambos lados por 2/ p nos da Note que esta relación es similar a la de la caída libre de un cuerpo con una ( ) velocidad inicial v2. Despejando . así que El mismo valor debe obtenerse considerando el producto A2v2. No confunda presión absoluta con presión manométrica o densidad con La diferencia de presión. 2. Dibuje una figura y márquela con las cantidades proporcionadas y las Solución que deben calcularse. Por lo tanto. Debe usar la presión absoluta a menos que el problema incluya una diferencia de presión. tenemos El gasto es R = A1v1. La diferencia de presión entre dos puntos es proporcional a la densidad Combinando estas dos relaciones. primero debemos determinar el área de la manguera de 2 cm de diámetro. volumen. ¿qué velocidad tiene el agua en la parte donde está la ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS constricción? Fluidos en reposo 1. partiendo de la ecuación de Bernoulli.Solución (b) Para calcular el gasto. Use unidades congruentes para el área. 3. Si h = 4 in. Tenga cuidado con las unidades si intenta usar peso específico. se conoce. Esto significa que el peso del objeto debe ser igual al 2. Para un fluido estacionario v1 = v2 y el tercer término de cada lado se haga una lista con la información proporcionada. Puesto que el área A de una tubería es proporcional al cuadrado de su diámetro d. si un objeto con un volumen de 3 m3 flota unidades apropiadas son kg/m3 y slugs/ft3. igual al peso del fluido desalojado: 5. con dos tercios de su volumen sumergido. primeros términos no aparecen y el resultado es el teorema de Torricelli 3. Cuando un volumen de fluido pasa de una sección transversal A1 a otra 6. Por ejemplo. y después de dibujar un esquema. En la ecuación de Bernoulli. la altura y 6. Lea el problema detalladamente y dibuje después un esquema iguales. los términos de en medio desaparecen para una tubería 2. Recuerde que el gasto R representa el volumen del fluido que pasa por horizontal (h1 = h2). 5. el empuje debe ser igual al la densidad. Para un objeto que está flotando en el fluido. Este hecho puede aprovecharse para determinar empuje en indicando en él la información proporcionada como datos. Asegúrese de utilizar unidades congruentes para el volumen y el área. eliminando aquellos factores que no cambian: Problemas sobre gasto 1. Escriba la ecuación de Bernoulli para el problema y simplifique m3. 4. No tiene ninguna relación con la masa o la densidad del objeto sumergido en el fluido. una constricción en una tubería horizontal como en la figura 20 no representa un cambio en altura (h1 = h2). Sustituya las cantidades proporcionadas como datos y despeje la que no A2. Recuerde que el empuje depende tanto de la densidad como del volumen del fluido desalojado. los una determinada sección transversal en la unidad de tiempo. Las unidades elegidas para la velocidad o el diámetro en una sección de (fuerza de empuje) la tubería deben serias mismas que se usen en la segunda sección de la tubería. el volumen del objeto y el fluido desplazado son 1. El principio de Arquímedes establece que un objeto total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba (empuje). Por ejemplo. que las unidades sean congruentes en el caso de la presión. El subíndice x se refiere al objeto que flota y el subíndice f se refiere al 3. una forma más útil de expresar la ecuación anterior puede ser: 4. si no hay cambio en la presión (P1 = P2). La altura h de un fluido se mide partiendo de un punto de referencia peso del fluido desalojado. 16 . peso del objeto. Por consiguiente podemos escribir: común al centro de masa del fluido. Si el objeto se encuentra Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli totalmente sumergido. la densidad p es densidad de masa y las fluido desalojado. Lea el problema cuidadosamente. Asegúrese de esos casos. elimina. el gasto no cambia. entonces Vx = 3 m3 y Vf = 2 4. y. 5. a) ¿Cuál es el peso del cubo? b) ¿Cuál es la masa del cubo? 4. Un cubo de madera cuyas aristas miden 5. ¿Cuál es la máxima altura a la cual subirá el agua en el edificio? 8. Si la rueda soporta 1000 lb. Una fuerza de 400 N se aplica al pistón pequeño de una prensa hidráulica cuyo diámetro es 4 cm. ¿cuál es el área del neumático que está en contacto con el suelo? 7. flota en agua con tres cuartas partes de su volumen sumergidas. El tubo de entrada que suministra presión de aire para operar un gato c) ¿Cuál es la gravedad específica del cubo? hidráulico tiene 2 cm de diámetro. TRABAJO EN CLASE 6. ¿Cuál es la densidad del objeto? 3. ¿Cuál es el empuje y cuál es la tensión sobre la cuerda? 2. El agua fluye continuamente por un tubo horizontal.5 y 25 in2 respectivamente. ¿Cuál será la velocidad del agua en esta son 0. Un objeto sólido pesa 8 N en el aire. Cuando este objeto se cuelga de una balanza de resorte y se sumerge en agua. Un manómetro de presión de agua indica una presión de 50 lb/in 2 al pie de un edificio. el tubo se estrecha bruscamente.5 N. la velocidad es de 2 m/s. En un punto donde la presión absoluta es de 300 kPa. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal de zona angosta? la prensa? ¿Qué fuerza se tendrá que ejercer para levantar una carga de 1 tonelada (2000 lb)? ¿A través de qué distancia deberá actuar la fuerza de entrada para levantar esta carga hasta una distancia de 1 in? 17 . ¿Qué fuerza se requiere para elevar el agua con el pistón hasta una altura de 100 ft? 1. su peso aparente es de sólo 6. La presión manométrica en un neumático de automóvil es de 28 lb/in 2. El pistón de salida es de 32 cm de diámetro.0 cm cada una. Más adelante. ¿Cuál deberá ser el diámetro del pistón grande para que pueda levantar una carga de 200 kg? 9. ¿Qué presión de aire (presión manométrica) se tendrá que usar para Ievantar un automóvil de 1800 kg? 10. Un cubo de 100 g que mide 2 cm por lado se ata al extremo de una cuerda y se sumerge totalmente en agua. Las áreas de los pistones grande y pequeño de una prensa hidráulica absoluta descienda a 100 kPa. haciendo que la presión 5. El área de un pistón en una bomba de fuerza es de 10 in2. El agua que fluye a 6 m/s por un tubo de 6 cm pasa a otro tubo de 3 cm PIME Editores. Se ha observado que la masa de un fragmento de cierta roca es de 9. ¿Cuál es la densidad de Publicaciones Cultural. Un trozo de metal de 20 g tiene una densidad de 4000 kg/m 3. es de 18 kg.org www.3 cm2.net/ Santillana.26 g. Limusa Noriega Editores. su masa aparente es de sólo 7. Cuando el trozo se sumerge en un fluido de 873 kg/m 3 de Mc Graw Hill Serway. Ibercajalav. Física Tomo II densidad. Física Editorial Voluntad Física Investiguemos 2. ¿Cuál es su velocidad en el tubo pequeño? ¿Es mayor el gasto en el tubo más pequeño? www. La masa del globo. Ejercicios y laboratorios virtuales 3. ¿con qué gasto sale el agua del recipiente? 5. Wilson . ¿Cuál es la tensión en el hilo? Diseño_Lucho_Acevedo 18 . Física General esa roca? Prentice Hall. Mecánica y Calorimetría conectado al primero. Física Recreativa 4.Buffa. Física 1 Nueva edición. Enciclopedia libre Apuntes de Física Luis Alfredo Caro la canastilla que lleva adjunta. PROFUNDIZACIÓN BIBLIOGRAFÍA 1. y Wikipedia.17 g en el aire. Está atada a un hilo delgado y se sumerge en un recipiente de aceite (1500 kg/m3) hasta que se sumerge por completo. Física 1.educaplus. ¿Qué masa adicional puede Fisicanet levantar consigo este globo? Ver FÍSICA OLIMPIADAS 11 (Editorial Voluntad) Ejercicios de página de Internet fuerzas mecánicas. ¿Cuál es la velocidad de salida del agua a través de una grieta del recipiente localizada 6 m por debajo de la superficie del agua? Si el área de la grieta es 1. Un globo de 40 cm de diámetro está lleno de helio.