Transcript Slide 1

Ciencias Físicas 3
Capítulo 5
Los fluidos
Fases de la materia
Las tres fases o estados comunes de la
materia son sólido, líquido y gaseoso.
Un sólido tiene una forma y tamaño definido.
Un líquido tiene un volumen fijo pero puede
tener cualquier forma.
Un gas puede tener cualquier forma y también
puede ser comprimido fácilmente.
Los líquidos y los gases fluyen y se les llama
fluidos.
Densidad y gravedad específica
La densidad ρ de un objeto es su masa por
unidad de volumen:
La unidad SI para la densidad es el kg/m3. La densidad
a veces también se describe como g/cm3; para
convertir g/cm3 en kg/m3, multiplique por 1000.
El agua a 4 °C tiene una densidad de 1 g/cm3 = 1000
kg/m3.
La gravedad específica de una sustancia es la
proporción de su densidad en relación al agua.
Presión en fluidos
La presión se define como la fuerza por unidad
de área.
La presión es una escalar; la unidad de presión
en el sistema SI es el pascal:
1 Pa = 1 N/m2
La presión es la misma en
cualquier dirección en un
fluido a una profundidad
dada; si no fuera así, el fluido
estaría en movimiento.
Presión en fluidos
También para un fluido en reposo,
no existe un componente de la
fuerza paralelo hacia cualquier
superficie sólida –una vez más, si
existiera el fluido estaría en
movimiento.
Presión en fluidos
La presión a una profundidad h debajo de la
superficie de un líquido se debe al peso del
líquido sobre este. Podemos calcular
rápidamente:
Estas relación es
válida para cualquier
líquido cuya
densidad no cambie
con la profundidad.
Presión atmosférica y presión manométrica
A nivel del mar la presión atmosférica es de
alrededor de
; esto se
denomina una atmósfera (atm).
Otra unidad de presión es el bar:
La presión atmosférica estándar es ligeramente
mayor que 1 bar.
Esta presión no nos aplasta, ya que nuestras
células mantienen una presión interna que la
balancea.
Presión atmosférica y presión manométrica
La mayoría de los manómetros miden la presión
sobre la presión atmosférica –esto se denomina
presión manométrica.
La presión absoluta es la suma de la presión
atmosférica y de la presión manométrica.
Principio de Pascal
Si se aplica una presión externa a un líquido
encerrado, la presión en todos los puntos del
fluido aumentan en la misma cantidad.
Este principio se usa, por ejemplo, en los
elevadores hidráulicos y en los frenos
hidráulicos.
Medición de la presión; manómetros y
barómetros
Existen muchos tipos diferentes de manómetros.
Este es un manómetro de tubo abierto. La
presión en el extremo abierto es la presión
atmosférica; la presión medida hará que el
fluido suba hasta que las
presiones en ambos
extremos a la misma altura
sean iguales.
Medición de la presión; manómetros y
barómetros
Aquí hay otros dos
dispositivos para la medición
de presión: el manómetro
aneroide y el manómetro de
neumáticos.
Medición de la presión; manómetros y
barómetros
Este es un barómetro de
mercurio, desarrollado por
Torricelli para medir la presión
atmosférica. La altura de la
columna de mercurio es tal que la
presión en el tubo a nivel de la
superficie es de 1 atm.
Por lo tanto, la presión
normalmente se mide en
milímetros (o pulgadas) de
mercurio.
Medición de la presión; manómetros y
barómetros
Se puede usar
cualquier líquido
en un barómetro
del tipo de
Torricelli, pero
los más densos
son los más
convenientes.
Este barómetro
utiliza agua.
Flotabilidad y principio de Arquímedes
Este es un objeto sumergido en un fluido. Existe
una fuerza neta sobre el objeto ya que las
presiones en la parte superior e inferior son
diferentes.
La fuerza de flotación es
la fuerza ascendente en el
mismo volumen de agua:
Flotabilidad y principio de Arquímedes
La fuerza neta sobre el objeto es entonces la diferencia
entre la fuerza de flotación y la fuerza gravitacional.
Flotabilidad y principio de Arquímedes
Si la densidad del objeto es menor que la del
agua, existirá una fuerza neta ascendente sobre
él, y subirá hasta que quede parcialmente fuera
del agua.
Flotabilidad y principio de Arquímedes
Para un objeto que flota, la fracción de volumen
que se sumerge depende de la razón de la
densidad del objeto y la densidad del fluido.
Flotabilidad y principio de Arquímedes
Este principio también se
aplica en el aire; es la razón de
que los globos de aire caliente
y de helio se eleven.
Fluidos en movimiento, tasa de flujo y la
ecuación de continuidad
Si el flujo de un fluido es suave, se le llama flujo
aerodinámico o laminar (a).
Más allá de cierta velocidad, el flujo se vuelve turbulento
(b). El flujo turbulento tiene remolinos; la viscosidad del
fluido es mucho mayor cuando existen remolinos.
Fluidos en movimiento, tasa de flujo y la
ecuación de continuidad
Nos dedicaremos al flujo laminar.
La tasa de flujo de masas es la masa que pasa
por un punto determinado en una unidad de
tiempo. La tasa de flujo en dos puntos dados
debe ser igual, mientras no se agregue o retire
ningún fluido.
Eso nos da la ecuación de continuidad:
Fluidos en movimiento, tasa de flujo y la
ecuación de continuidad
Si no cambia la densidad –típica de los
líquidos– se puede simplificar a
.
Donde el tubo es más ancho, el fluido es más
lento.
Principio de Bernoulli
Un fluido también puede
cambiar su altura. Al ver el
trabajo ejercido a medida
que se mueve, vemos que:
Este es el principio de
Bernoulli. Una de las cosas
que nos dice que es que a
medida que la velocidad
aumenta, la presión
disminuye.
Aplicaciones del principio de Bernoulli:
de Torricelli a los aviones, las pelotas
de fútbol y la isquemia
Al usar el principio de Bernoulli, vemos que la
velocidad de un fluido que sale por una llave en un
tanque abierto es:
Esto se denomina
teorema de Torricelli.
Aplicaciones del principio de Bernoulli:
de Torricelli a los aviones, las pelotas
de fútbol y la isquemia
La elevación en el ala de un avión se debe a
las diferencias de velocidad y presión de aire
en las dos superficies del ala.
Menor presión
Mayor presión
Aplicaciones del principio de Bernoulli:
de Torricelli a los aviones, las pelotas
de fútbol y la isquemia
Un bote de velas se
puede mover contra el
viento, al usar las
diferencias de presión
en cada lado de la vela,
y al usar la quilla para
evitar navegar de lado.
Aplicaciones del principio de Bernoulli:
de Torricelli a los aviones, las pelotas
de fútbol y la isquemia
La trayectoria de una
pelota se curvará debido a
su giro, lo que da como
resultado que el aire en
ambos lados de la pelota
no sea igual.
Aplicaciones del principio de Bernoulli:
de Torricelli a los aviones, las pelotas
de fútbol y la isquemia
Una persona con arterias
constreñidas podría
experimentar una falta
temporal de sangre en el
cerebro (isquemia) a
medida que la sangre
aumenta su velocidad al
pasar por la constricción,
lo que reduce la presión.
Aplicaciones del principio de Bernoulli:
de Torricelli a los aviones, las pelotas
de fútbol y la isquemia
Se puede utilizar un medidor de venturi para
medir el flujo de los fluidos al medir las
diferencias de presión.
Aplicaciones del principio de Bernoulli:
de Torricelli a los aviones, las pelotas
de fútbol y la isquemia
El flujo de aire en la parte superior ayuda a que el
humo salga de una chimenea y el flujo de aire en
diferentes aberturas puede entregar la circulación
necesaria para las madrigueras subterráneas.
Viscosidad
Los fluidos reales tienen una resistencia
interna, llamada viscosidad.
La viscosidad puede medirse; se encuentra en
la relación
donde η es el coeficiente de viscosidad.
Flujo en tubos; la ecuación de
Poiseuille, el flujo sanguíneo
La tasa de flujo en un fluido en un tubo redondo
depende de la viscosidad del fluido, de la
diferencia de presión y de las dimensiones del
tubo.
El volumen de la tasa de flujos es proporcional
a la diferencia de presión, inversamente
proporcional al largo del tubo y a la diferencia
de presión, y proporcional a la cuarta energía
del radio del tubo.
Flujo en tubos; la ecuación de
Poiseuille, el flujo sanguíneo
Esto tiene consecuencias en el flujo sanguíneo –si
el radio de la arteria es la mitad de lo que debiera
ser– la presión debe aumentar en un factor de 16
para mantener el mismo flujo.
Normalmente el corazón no puede trabajar tan
duro, pero la presión sanguínea sube a medida que
lo intenta.
Pared de la
arteria
Pared arterial
más gruesa
Bloqueo
Tensión superficial y capilaridad
La superficie de un líquido en reposo no es
perfectamente plana; se curva hacia arriba o
hacia abajo en las paredes del contenedor. Ese
es el resultado de la tensión superficial, que
hace que la superficie se comporte de una
manera elástica.
Tensión superficial y capilaridad
El jabón y los detergentes bajan la tensión
superficial del agua. Esto permite que el agua
ingrese en los materiales más fácilmente.
Las moléculas de agua
son atraídas con más
fuerza al vidrio que
hacia otras moléculas
de agua; ocurre lo
contrario con el
mercurio.
Tensión superficial y capilaridad
Si se colocan tubos delgados en un fluido, el
fluido mostrará capilaridad.
Bombas y el corazón
Esta es una bomba alternante simple. Si se usara
como una bomba de vacío, el recipiente se
conectaría a la admisión; si se usara como una
bomba de presión, el recipiente se conectaría al
escape.
Bombas y el corazón
(a) Es una bomba centrifuga; (b) una bomba
rotatoria con sello de aceite; (c) una bomba de
difusión.
Bombas y el corazón
El corazón de un humano o de cualquier otro
animal, también funciona como una bomba.
Bombas y el corazón
Para medir la presión sanguínea, se infla un brazalete
hasta que el flujo sanguíneo se detenga. Luego se
desinfla el brazalete lentamente hasta que la sangre
comience a fluir mientras el corazón bombea, y luego se
desinfla un poco más hasta que la sangre fluya
libremente.