Las Fuerza y el equilibrio de los Fluidos.

Transcripción

1 Las Fuerza y el equilibrio de los Fluidos Asignatura: Física y Química de 4º ESO Profesor: Curso 2010/2011

2 Debate previo Conocimientos de partida En el tema de dinámica estudiamos: Una fuerza puede producir una deformación

3 Debate previo Reflexiona 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?

4 Debate previo 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.

5 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

6 Presión Concepto de Presión La presión nos informa de la fuerza ejercida sobre cada unidad de superficie 1 Pa = 1 N/1m 2 1bar = Pa 1mbar=100 Pa 1atm = 760 mm de Hg = Pa La unidad de presión en el sistema internacional es el N/m 2, que recibe el nombre de Pascal (Pa).

7 Presión La presión puede darnos una medida del efecto deformador de una fuerza. A mayor presión, mayor efecto deformador. Cuchillo: filo Raquetas de nieve 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.

8 Fluidos Qué es un fluido? 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. Importante Líquidos: Son poco compresibles Gases: Son muy compresibles

9 Fluidos Qué es un fluido? Líquido: al presionar el émbolo, no varía el volumen Gas: al presionar el émbolo, varía el volumen Importante Líquidos: Son poco compresibles Gases: Son muy compresibles

10 Fluidos Por qué motivo las presas de los pantanos tienen la forma de la figura? Pantano Presa La pared en la parte inferior es más gruesa que en la superficie

11 Presión Hidrostática Principio fundamental de la estática de fluidos Peso líquido = m líquido g = d líquido V líquido g Peso = d líquido S h g p = F S = d líquido S h g S = d líquido h g p= h.d.g h: profundidad d: densidad del líquido g: aceleración de la gravedad N = m. Kg. N m 2 m 3 2 Kg

12 Principio de Pascal Llenamos 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

13 Principio de Pascal Principio de Pascal La presión ejercida en un punto de un líquido se transmite con la misma intensidad en todas las direcciones. Blaise Pascal ( ). Aplicaciones: -Vasos comunicantes -Prensa hidráulica Si 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

14 Vasos comunicantes 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.

15 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

16 Depósitos de agua Dónde se sitúan: en la parte más alta o en la parte más baja de las poblaciones? Respuesta: en la parte más alta. Así el agua fluye por las tuberías, alcanzando el mismo nivel en todos los puntos.

17 Depósitos de agua Cómo se extrae agua de un pozo artesiano? 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.

18 Sistemas hidráulicos Elevador 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. Fuerza menor Pistón grande Pistón pequeño Fuerza mayor

19 Sistemas hidráulicos Freno Hidráulico: se basa en el principio de Pascal. Los sistemas hidráulicos amplifican la fuerza aplicada, pero no la energía Ejemplos: tren de aterrizaje de los aviones, puertas del autobús, grúas articuladas

20 Por qué sube el agua por el jarrón?

21 Pesa el aire? Respuesta: Sí La presión atmosférica 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.

22 La presión atmosférica Evidencias de la presión atmosférica

23 La presión atmosférica Si 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.

24 Presión atmosférica Al 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

25 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 ( ). La presión ejercida por esta columna de líquido estaba equilibrada por la presión ejercida por el aire. Tubo de vidrio lleno de mercurio y cerrado por un extremo El mercurio del tubo desciende algunos centímetros, pero se mantiene en equilibrio una columna de 76 cm de altura La presión atmosférica sostiene la columna de mercurio Cubeta de mercurio

26 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.

27 La presión atmosférica Qué valor tiene la presión atmosférica? La experiencia de Torricelli equilibra una columna de 76 cm de mercurio. Suponemos 1cm de sección, su volumen es 76 cm 3 = 7, m 3. La masa de la columna es: El peso es: La presión ejercida sobre la sección de 1cm 2 =10-4 m 2 A nivel del mar

28 La presión atmosférica RECUERDA: presta atención a las unidades! 1atm = 760 mm de Hg = Pa = 1013 mbar d agua = 1000 Kg m 3 1L = 1dm 3 Densidad del agua

29 La presión atmosférica Variación de la presión atmosférica con la altitud Dónde es mayor la presión: en una montaña o a nivel del mar? 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. Respuesta: A mayor altitud, tendremos menor presión

30 La presión atmosférica y la altitud Nivel del mar

31 La presión atmosférica Cómo se mide la presión atmosférica? Respuesta: Barómetro 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 mercurio Más 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

32 Arquímedes: Fuerza de empuje 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.

33 Arquímedes: Fuerza de empuje Dinamómetro Mide el peso: Fuerza

34 Arquímedes: Fuerza de empuje 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. 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.

35 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

36 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 d L sobre la cara superior e inferior del cuerpo sumergido. E=F 2 -F 1 = p 2 S - p 1 S (h 2 -h 1 ). S = V cuerpo (m 3 ) = V líquido desplazado (m 3 ) Aplico Principio fundamental de la Hidrostática: E=h 2.d L.g.S - h 1.d L. g. S = (h 2 -h 1 ).S. d L. g E= V cuerpo.d líquido.g = m L. g Unidades: Kg. m 3. m = Kg. m m 3 s 2 s 2

37 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.

38 Arquímedes P > E P = E Empuje Empuje El cuerpo se hunde Peso P < E Peso El cuerpo se mantiene en equilibrio Empuje El cuerpo asciende Un sólido sumergido completamente en un fluido está sometido a dos fuerzas : el peso hacia abajo y el empuje hacia arriba. Peso

39 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.

40 Principio de Arquímedes: Por qué flotan los barcos? Aplicaciones 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. Equilibrio de sólidos en fluidos

41 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.

42 Principio de Arquímedes: Densímetro Aplicaciones 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. Por ejemplo: permite ver el descenso de densidad del mosto en fermentación. Mosto Vino ( azúcar) ( azúcar) Densidad mayor Fermentación alcohólica Densidad menor d= 1030 g/l d= 990 g/l La densidad va disminuyendo a medida que avanza la fermentación.

43 Mar muerto Curiosidad 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.

44 FIN