PROPIEDADES DE LA MATERIA

Transcripción

1 PROPIEDADES DE LA MATERIA FLUIDOS Las tres fases de la materia. Presión. Propiedades 1 y 2 de los fluidos. Efecto de la gravedad sobre los fluidos. Densidad. Propiedad 3 de los fluidos. Presión atmosférica. Presión manométrica. El manómetro. La presión sanguínea. El barómetro. Empuje. Principio de Arquímedes. Flujo de fluidos. Viscosidad. Flujo de fluidos en tuberías: ley de Poiseuille. Flujo sanguíneo. Pueden interconvertirse. Las tres fases de la materia Sólidos: poseen volumen y forma definidas. Líquidos: -Poseen definido el volumen, pero no la forma. -Cuando hay cambios de forma no hay cambios de volumen. Gases: -No poseen ni volumen no forma definidos. Gases y líquidos son considerados fluidos: Es decir, no son rígidos y tienden a esparcirse o a ocupar el recipiente que los contienen. Gases y líquidos pueden tener propiedades comunes, cuando se consideran las propiedades de un fluido. Existe un cuarto estado de la materia denominado plasma que es esencialmente un gas ionizado con igual número de cargas positivas que negativas. 1

2 Se define presión como el cociente entre la componente normal de la fuerza sobre una superficie y el área de dicha superficie. La unidad de presión en el SI recibe el nombre de pascal (Pa) (N/m -2 ). Propiedad 1 de los fluidos: Un fluido en reposo no puede ejercer una fuerza paralela a una superficie. 2

3 Propiedad 2 de los fluidos (ley de Pascal): En ausencia de la gravedad, es decir, despreciando el peso del propio fluido, la presión en un fluido en reposo es la misma en todas partes. Igualdad de presiones Efectos de la gravedad sobre los fluidos La densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que ocupa. 3

4 Propiedad 3 de los fluidos: La presión en un fluido es la misma para todos los puntos de igual profundidad y la diferencia de presión entre dos puntos A y B, de profundidades respectivas h A y h B, es p B p A = ρgh B ρgh A = ρg ( h h ) B A h B h A h A y h B positivas cuando se miden por debajo de la superficie del fluido. Observación: la propiedad 3 supone que la densidad de un fluido no varía con la altura. Para un gas esta suposición se cumple mucho menos, por lo que, en ese caso, habría que utilizar la densidad media entre A y B. 4

5 Aplicación de la propiedad 3: La prensa hidráulica La ecuación fundamental de la estática de fluidos afirma que la presión depende únicamente de la profundidad. El principio de Pascal afirma que cualquier aumento de presión en la superficie de un fluido se transmite a cualquier punto del fluido. Una aplicación de este principio es la prensa hidráulica. Estando ambos émbolos a la misma altura: F 1 = S 1 F S 2 2 Otra aplicación de la propiedad 3 Si se ponen en comunicación varias vasijas de formas diferentes, se observa que el líquido alcanza el mismo nivel en todas ellas. A primera vista, debería ejercer mayor presión en su base aquel recipiente que contuviese mayor volumen de fluido. Paradoja hidrostática? 5

6 Según la propiedad 3, la presión solamente depende de la profundidad por debajo de la superficie del líquido y es independiente de la forma de la vasija que lo contiene. Como es igual la altura del líquido en todos los vasos, la presión en la base es la misma y el sistema está en equilibrio. Otros ejemplos 6

7 Presión manométrica manómetro Para medir la presión empleamos un dispositivo denominado manómetro. Como A y B están a la misma altura la presión en A y en B debe ser la misma. Por una rama la presión en B es debida al gas encerrado en el recipiente. Por la otra rama la presión en A es debida a la presión atmosférica más la presión debida a la diferencia de alturas del líquido manométrico: p = p 0 + ρgh La presión sanguínea -Se mide utilizando un manómetro conectado a un bolsa de aire. -La presión de la bolsa aumenta hasta superar la presión sistólica. -Esto interrumpe el flujo sanguíneo en las arterias del antebrazo al aplastar la arteria braquial del brazo. -Se emplea un estetoscopio para escuchar la vuelta del pulso al antebrazo. -El primer sonido ocurre cuando la presión de la bolsa es exactamente igual a la presión sistólica (valor de referencia: 120 mm Hg). -El sonido cesa cuando la presión de aire de la bolsa es exactamente igual a la presión diastólica (valor de referencia 80 mm Hg). Entonces, la sangre podrá fluir normalmente. -Debe colocarse la bolsa en el brazo a la altura del corazón. 7

8 Experiencia de Torricelli Para medir la presión atmosférica, Torricelli empleó un tubo largo, cerrado por uno de sus extremos, lo llenó de mercurio y le dio la vuelta sobre una vasija de mercurio. El mercurio descendió hasta una altura h=0.76 m al nivel del mar. Dado que el extremo cerrado del tubo se encuentra casi al vacío p=0, y sabiendo la densidad del mercurio es g/cm 3 ó13550 kg/m 3 el valor de la presión atmosférica es barómetro Principio de Arquímedes El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado. 8

9 La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en la figuras: El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido. -La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Recuerde: 4El Principio de Arquímedes se aplica siempre: estando el objeto sumergido o flotando. La fuerza de flotación o empuje es siempre igual al peso del líquido desplazado. 4Si el objeto flota, la fuerza de flotación es siempre igual al peso del objeto. (2ª Ley de Newton con a = 0) 9