MECANICA DE FLUIDOS. Qué estudia la hidráulica?. Líquidos. Fuidos

Transcripción

1 1 GUIA FISICA GRADO ONCE: MECANICA DE FLUIDOS AUTOR Lic. Fíica, ERICSON SMITH CASTILLO MECANICA DE FLUIDOS La leye de Newton que etudiao para lo ólido on aplicable a lo fluido, pero ante debeo conocer la caracterítica propia de lo fluido. La ateria preenta tre etado fundaentale, ólido, líquido y gaeoo, eto etado dependen del edio donde e encuentren pue la preión y teperatura que actúa obre ello, pueden hacer que un aterial cabie de etado. Lo ólido e caracterizan por tener fora y taaño definido, en tanto que lo líquido y lo gae no tienen fora definida, pue fácilente toan la fora del recipiente que lo contienen. A eto e le conocen coo fluido y tienen un coportaiento uy particular frente al edio que lo rodean, pero al igual que lo ólido e ha decubierto que la leye que lo rigen on tabién uy particulare, a ello e dedicaron alguno fíico coo Arquíede, Pacal, Bernoulli, Torricelli y dedicareo ete ódulo al etudio de la leye y aplicacione dada por ello. La dináica de fluido la podeo ditribuir coo lo otrao en el iguiente diagraa: Fuido Hidrotática equilibrio delo liquido. Líquido Hidro dináica Moviiento delo líquido. Gae Neuatica equilibrio y oviiento delo gae. Qué etudia la hidráulica?. Para reponder a eta pregunta recordeo que la Hidrotática etudia el coportaiento de lo fluido, coniderado en repoo o equilibrio; la Hidrodináica e encarga del coportaiento de lo io cuando e encuentran en oviiento y; la Neuática e la que e encarga de particularizar la do anteriore al etudio de lo gae. Ya con eto concepto, podeo decir que la Hidráulica e la que utiliza eto tre concepto en la aplicacione tecnológica. Cabe anotar que hay diferencia notable entre lo líquido y lo gae, ya que lo priero on prácticaente incopreible ientra que lo egundo adaptan u voluen al del recipiente que lo contiene, expandiéndoe de tal fora que ocupan el ayor voluen poible.

2 2 Debido a eta y otra caracterítica, lo etudio de la ateria etán bien definido de acuerdo a la caracterítica de denidad, preión y teperatura. Si haceo un equea de la cantidad de ateria por unidad de voluen para cada etado eria. Recuerda que la preión hace referencia a la fuerza ejercida obre una uperficie. Un cabio en la teperatura hace que la olécula que e encuentran en el interior de un aterial adquieran ayor o enor energía (cinética). Denidad E la fora á útil de caracterizar una utancia y epecifica la cantidad de utancia por unidad de voluen. Denidad de aa V Mucho ateriale e expanden cuando e calienta. Ete reultado e debe a que la olécula etán vibrando a ditancia ayore cuando la teperatura e elevada y, en conecuencia, e increenta u ditancia proedio de eparación. Ya que la aa en unidad de voluen cabiará i la olécula e eparan, la denidad de una utancia variará con la teperatura. Aunque la denidade de la ayor parte de la utancia diinuyen al auentar la teperatura, hay varia excepcione coune en que la denidad realente auenta cuando e eleva la teperatura un deterinado intervalo: el agua en el intervalo de 0º a 4º C e tal utancia. 1 1 / 3 = 10-3 g/c 3 Sutancia Denidad g/c 3 Acero 7.8 Aluinio 2.7 Bronce 8.6 Cobre 8.9 Hielo 0.92 Hierro 7.8 Oro 19.3 Plata 10.5 Platino 21.4 Ploo 11.3 Agua 1.00 Alcohol etílico 0.81 Benceno 0.90 Glicerina 1.26 Mercurio Toado de Fundaento de Fíica. F. Bueche.

3 Teperatura de una utancia 3 E una edida del oviiento vibratorio de u átoo: en un ga por ejeplo, lo átoo e ueven independienteente, u velocidad y aa edia deterinan la energía interna y la teperatura. El etudio del calor no e deprendió de la epeculación filoófica hata el Renaciiento, donde Galileo contruyó una de lo priero terocopio con lo cual inició la diferenciación de lo concepto de calor y teperatura. E aí coo e da origen a la ecala de teperatura: grado centígrado, grado Fahrenheit y grado Kelvin. o C 5 o F 9 32 y o C o K 273 Preión en lo líquido La bola de la figura contiene líquido en repoo y preenta una uperficie copacta, afectada por una fuerza interna (preión) y externa (preión atoférica) de tal anera que la bola no e pliega porque la preión del líquido en u interior equilibra la preión del aire en el exterior. Si vao haciendo perforacione una a una, podreo coprobar que él liquido contenido en el recipiente iepre ale de él, por cada agujero, en dirección perpendicular a la uperficie del io. Eto e debe a que lo líquido ejercen fuerza perpendiculare a la parede del recipiente que lo contiene. En cada punto, la fuerza ejercida por un líquido en equilibrio e perpendicular a la uperficie del recipiente que lo contiene, o, a la uperficie de un ólido uergido en él. Conidereo una uperficie de área A = 4.9 c 2, ituada en el interior de un líquido de denidad a una profundidad h = 8 c. La fuerza F que oporta ea uperficie e el peo de la coluna de líquido que hay por encia de ella, e decir, F = Peo del líquido = g Condición inicial F = V g = A h g Reeplazando por V y V = A h Ahora reeplazao ete valor de fuerza en la ecuación de preión dada en el ódulo anterior F A h g P h g A A Eta igualdad recibe el nobre de Ecuación Fundaental de la Hidrotática y uetra que la preión en un punto de un fluido no depende del voluen del líquido que hay por encia de dicho punto y e proporcional a la denidad del líquido, a la aceleración de la gravedad g del itio y a la profundidad h a la cual e encuentra dicho punto.

4 4 Do punto ituado a la ia profundidad en el interior de un líquido etán a la ia preión. Ejeplo 1: El tapón que cierra el uidero de un depoito tiene fora circular con un radio de 5 c, y e encuentra a una profundidad de 3.5. Calcular la preión que, debido al agua, oporta el tapón. Solución La preión en el fondo del depóito ejercida por el agua e: P h g Pa N donde la unidad Pa correponde a pacal y Pa. 2 Si quereo encontrar la fuerza que oporta el tapón haceo A = r 2 = (0.05) 2 = La fuerza ejercida etá dada por F = P A, de la ecuación de Preión, por tanto F = 34300Pa = 269.3N Ejeplo 2 Por una de la raa de un tubo en fora de U que inicialente contiene agua e vierte aceite con una denidad de 0.92 gr/ c 3. Si lo líquido no e ezclan y quedan ditribuido en el tubo, calcular la altura de la coluna de aceite, teniendo en cuenta que la longitud de la coluna de agua e de 20 c. Solución: A B A h 3 B h 2 h 1 h 2 h 1 Ete procediiento e puede eplear para calcular la denidad de alguno líquido. Si en el tubo e hecha ercurio u otro fluido, obervao que en la do raa (priera figura), el nivel que alcanza e el io: debido a la preión atoférica. Si teneo un líquido cuya denidad no conoceo (egunda figura) y lo vertio en la raa izquierda del tubo, ete líquido ejerce una preión obre el ercurio, provocando un denivel en la do raa. La preión en el punto B debida a la coluna de ercurio e igual a la preión en el punto A debida a la coluna del líquido cuya denidad e deconoce, peritiéndono ecribir la expreión P A = P B

5 5 Utilizando eta deducción, reeplazao la condicione iniciale dada en el planteaiento del problea aceite g h aceite = agua g h agua h aceite h aceite ACTIVIDADES I. Realiza un cuadro inóptico utilizando la PALABRAS clave de la teática tratada. II. Copleta el iguiente crucigraa 1. Aparato creado por Galileo. 2. Unidade de preión / fuerza por unidad de área 3. Parte de la fíica que etudia el fluido en repoo 4. Unidad de teperatura. 5. Parte de la fíica que etudia lo gae. 6. Medida que correponde en gran edida al oviiento de la partícula interna de un eleento. 7. Eleento de ayor denidad 8. Unidade de teperatura 9. Cantidad de aa por unidad de voluen de un cuerpo 10. Unidad de teperatura 11. Etado de la ateria que no tiene fora definida. 12. Eleento de enor denidad. 13. Preión generada por el aire. III. Realiza lo iguiente ejercicio de aplicación: 1. Una probeta de 80 c. de altura etá llena (a) de aceite, ( =0.9), (b) de agua, (c) de ácido nítrico, ( =1.52). Calcular la preión en el fondo y la fuerza obre el io i la probeta tiene un radio interior igual a 1.5 c. 2. Un tanque rectangular lleno de agua tiene 6 de largo, 4 de ancho y 5 de profundidad. Calcular la fuerza total obre el fondo. Reolver el io problea uponiendo que la uperficie del agua e encuentra a 50c del borde del tanque. Reolver tabién uponiendo que tiene gaolina ( =0.8). 3. Un recipiente tiene la fora de un pria de bae cuadrada de 10c de lado. Contiene ercurio hata una altura de 8 c y encia del io, agua hata una altura de 10c. obre el ercurio. Calcular la preión y la fuerza total obre el fondo. Tabién la preión de un punto a 4c, a 8c, a 13c y 18c del fondo.