Unidad: Presión Atmosférica y Presión Hidrostática

Transcripción

1 Unidad: Presión Atmosférica y Presión Hidrostática Actividad: La lata aplastada Observa el siguiente video en que se introduce una lata caliente en agua. 1. Quién crees tú que ejerció la fuerza que aplastó a la lata? 2. Formula una hipótesis para intentar explicar lo que viste. 1

2 El mismo experimento anterior se puede hacer sin calentar la lata si se introduce vapor de agua en ella antes de introducirla al agua. Observa el video de la lata aplastada usando vapor. En el experimento anterior la lata contenía un poco de agua, y al calentarla estábamos formando vapor de agua en su interior. 3. Qué pasa con el vapor de agua dentro de la lata cuando ésta se introduce en el agua? 4. Qué relación tiene tu respuesta con la aparición de la fuerza que aplasta la lata? 2

3 En los videos anteriores reemplazábamos el aire frío dentro de la lata por aire caliente que es menos denso y vapor de agua. Cuando se introduce la lata en agua fría el vapor de agua se condensa. Recuerda que anteriormente describimos el comportamiento de los gases usando las variables: Temperatura T, Presión P, Volumen V, número de partículas N. 5. Cuando el vapor de agua se condensa, transformándose en líquido. a) El volumen del gas dentro de la lata, aumenta, disminuye o no cambia? b) El número de partículas de gas dentro de la lata, aumenta, disminuye o no cambia? c) La presión del gas dentro de la lata, aumenta, disminuye o no cambia? 3

4 Muchas moléculas de agua en estado gaseoso pasan al estado líquido y por lo tanto el número de partículas de gas disminuye. Llamamos a esto producir un vacío parcial. (Sería total si no quedara ninguna partícula de gas dentro de la lata). Al disminuir el número de partículas disminuye la presión que éstas ejercen sobre el interior de la lata. 6. Puedes dar una explicación microscópica (en términos del comportamiento de las moléculas del gas) de por qué esto ocurre? En resumen: nuestro experimento causa que la presión dentro de la lata disminuya bruscamente, y entonces la lata es aplastada. Revisa y si es necesario reformula tu hipótesis de por qué se aplasta la lata. 4

5 El experimento anterior muestra que el aire que nos rodea ejerce constantemente una presión sobre nosotros. Esta presión recibe el nombre de presión atmosférica. Dado que esta presión actúa sobre todas las superficies de los cuerpos, su efecto está normalmente balanceado. En nuestro experimento este balance se rompe al disminuir la presión en el interior de la lata. Al ser la presión exterior mucho mayor, la fuerza neta aplasta a la lata. Este efecto fue también responsable de acabar con la sonda Galileo, enviada a explorar la atmósfera de Júpiter. Júpiter es un planeta formado sólo por gas; una vez que Galileo terminó su misión se sumergió en la atmósfera de Júpiter hasta ser completamente aplastada por ella. 5

6 Actividad: El guante que se infla Un efecto similar se puede conseguir reduciendo la presión externa a un guante de latex parcialmente inflado. Para ello usamos una quesera hermética y un bombín que permite extraer parte del aire que hay en ella. El guante en el interior de la quesera está anudado y pegado a la mesa 1. Qué crees que sucederá cuando se extraiga aire de la quesera? Observa el video para chequear tu predicción. 2. Intenta explicar lo que acabas de ver. 6

7 Actividad: El globo dentro de la botella El globo que se muestra en la imagen está inflado en el interior de una botella, con su boca abierta y estirada sobre el gollete. Actividad: Si tu profesor te suministra los materiales necesarios, infla el globo para que quede como se muestra. Es fácil o difícil? 1. Qué relación debe existir entre la presión fuera de la botella y la presión dentro de la botella para que esto sea posible? Observa el video que muestra nuestro globo inflado y abierto dentro de una botella. 7

8 2. Por qué sale disparado el humo que había dentro del globo? Una de las dos presiones (interna o externa) debió cambiar para poder desinflar el globo y expulsar el humo. 3. Cuál presión crees que cambió? Aumentó o disminuyó esta presión? Para poder realizar este video tuvimos que utilizar una botella trucada, de lo contrario es imposible inflar el globo. 4. Por qué crees que es imposible inflar el globo con una botella normal? 5. Si se pudiese inflar el globo, Cuál presión debe ser mayor, la que hay dentro del globo o la que hay fuera del globo (dentro de la botella)? 6. Se te ocurre como trucar la botella para que se pueda inflar el globo? 8

9 La botella tiene un pequeño orificio en su base. Explícale a un amigo como debería proceder para usar esta botella si quiere repetir el truco de magia que te mostramos en el video. Explícale en detalle cómo debe manipular la botella y que debe hacer un agujero para que el truco funcione. 9

10 Actividad: Los hemisferios de Magdeburgo Otra aplicación histórica famosa de estas ideas fueron los hemisferios de Magdeburgo, que nosotros recrearemos con nuestras queseras. Rodrigo y Camilo intentarán separar la pelota que hemos construido uniendo dos queseras por sus bordes y sacando aire de su interior con un bombín. Observa en el video como se esfuerzan Rodrigo y Camilo. 1. Por qué al comienzo no pudieron separar los hemisferios? 2. Cuando Francisco retiró su mano los hemisferios pudieron ser separados. Qué estaba haciendo Francisco? 10

11 Históricamente este experimento se hizo con dos hemisferios de bronce de 50 cm de radio de las que se amarraron dos conjuntos de caballos, 8 de ellos por cada lado, sin conseguir separar los hemisferios. De esta forma se demostró en forma fehaciente la existencia de la presión atmosférica. Uno de los hemisferios tiene un pequeño agujero que Francisco tapa con su dedo simulando que sujeta los hemisferios para vencer la fuerza con que tiran de ellos. Es posible sorprender a los que hacen la fuerza ya que la persona que tapa el agujero (sin que los otros lo noten) puede simular hacer fuerza y a voluntad puede hacer que los hemisferios se separen al sacar el dedo del agujero. Aún sabiendo de la existencia del agujero resulta sorprendente que un sólo dedo le gane a la fuerza de varias personas. 11

12 El valor de la presión atmosférica es bastante grande, pues si bien es cierto la densidad del aire es pequeña, la atmósfera se extiende grandes distancias sobre nuestras cabezas. La distribución del aire no es uniforme. El 90% del aire se encuentra hasta una altura de 18 Km, y el 99% de él está por debajo de los 30 Km. El valor de la presión atmosférica es de aproximadamente 10 (N/ cm2), es decir, el peso de 1Kg actúa sobre cada cm2 de superficie. 12

13 Actividad: Sintiendo la presión atmosférica Inventamos el dispositivo que se muestra para poder sentir cual sería el efecto de la presión atmosférica sobre tu mano si es que no estuviera balanceada. Las barras de fierro son de 1 Kg de masa y 1 cm 2 de base. Observa la mano que va subiendo las barras agregándolas de a poco. 1. Si tuvieses que vencer la acción de la presión atmosférica sobre la superficie de tu mano estirada, aproximadamente cuanto peso deberías ser capaz de levantar con tu mano? Ayuda: cuál es el área de tu mano estirada, aproximadamente? Mídela utilizando tu regla. 2. Si en vez de una barra de fierro quisieras usar una columna de mercurio de 1 cm2 de base, qué altura debería tener esa columna? (recuerda que 1 cm3 de mercurio tiene 13.6 g de masa) 13

14 La foto muestra una botella de agua mineral que se compró en Cuzco (Perú) donde se bebió gran parte del agua y se trajo cerrada a Viña del Mar. 3. Explica que le ocurrió a la botella. 14

15 El siguiente video muestra una actividad que podrías realizar en tu casa para sentir la presión atmosférica actuando sobre tu mano. Una bolsa plástica pequeña se sujeta firmemente a una base pesada. Se introduce la mano en la bolsa y se sella al brazo con un elástico. La bolsa se conecta a una aspiradora para sacar el aire en la bolsa. Observa el video de una una persona que trata de levantar la mano. 4. Por qué es difícil hacerlo? 15

16 El mismo efecto anterior se ve en este video en que un estudiante se encuentra dentro de una bolsa plástica, excepto por la cabeza que esta fuera de la bolsa y tiene un sello (hecho con un pedazo de globo) en el cuello para impedir que entre aire. La abertura inferior de la bolsa está cerrada enrollando la bolsa en un tubo plástico. Además, la bolsa está pegada a una tabla de madera para poder inclinarla una vez que el estudiante esté adentro. Sacaremos el aire de la bolsa con una aspiradora y nuestro estudiante intentará separar los brazos lo más que pueda. 5. Aproximadamente, cuánta distancia crees que logra mover las manos? 6. Observa el video e intenta explicar lo que observaste. 16

17 En los dos experimentos anteriores la presión dentro de las bolsas ha disminuido, por lo que para lograr moverse se debe vencer la fuerza que se origina por la diferencia de presiones entre fuera y dentro de la bolsa. Observa que Alexi ni siquiera puede mover sus brazos. Más aún, esta fuerza es tan grande que puede sostener el peso de Alexi cuando la tabla y la bolsa se inclinan, mientras que en circunstancias normales la bolsa se rompería. 17

18 Actividad: Presión en líquidos Además de la presión ejercida por la atmósfera que nos rodea, los líquidos también ejercen presión sobre la superficie de los recipientes que los contienen. A esta presión se le conoce como presión hidrostática. Para examinar la dirección en que actúa la fuerza que origina esta presión y de que depende su magnitud, observa el siguiente video en que destapamos cuatro agujeros hechos en la superficie de un recipiente lleno de agua. 1. En cada uno de los tres agujeros que están uno arriba del otro, en qué dirección está siendo empujada el agua que estaba en el orificio? 2. En el agujero que destapa la mano más alta, en qué dirección está siendo empujada el agua que estaba en el orificio? 18

19 3. En resumen, en qué dirección actúa la fuerza asociada a la presión del líquido? 4. En el caso de los tres agujeros que están uno arriba del otro, en cuál caso la presión ejercida por el fluido es mayor? (fíjate en como salen eyectados los chorros de agua) 5. En otras palabras, qué sucede con la magnitud de la presión hidrostática si examinamos puntos que están a mayor profundidad? 19

20 La fuerza actúa perpendicularmente al área sobre la que se ejerce presión y su magnitud aumenta con la profundidad del líquido. Observa el video que muestra una botella de agua que se encuentra invertida con un trozo de cartón puesto en su gollete. 6. Como puedes ver, el papel no estaba pegado a la botella. Puedes explicar por qué el papel no se caía? 7. Qué fuerza, y en qué dirección, ejerce el aire sobre un trozo del cartón de 1cm2 de área? 8. Aproximadamente, qué fuerza, y en qué dirección, ejerce la columna de agua de 10 cm de altura que está encima del trozo de cartón de 1cm2 de área? Recuerda que 1 cm3 de agua tiene 1 g de masa. 9. Cuál es la máxima altura de la columna de agua de área 1cm2 que la presión atmosférica podría soportar sin que el cartón se caiga? 20

21 Actividad: Presión hidrostática Piensa en la fuerza ejercida por una columna de líquido de densidad ρ, altura H y área A sobre el fondo del recipiente que la contiene. 1. Si consideras una columna del doble de área basal, la fuerza ejercida sobre esa área es mayor, menor o igual? y la presión sobre esa área es mayor, menor o igual? 2. Si consideras una columna del doble de altura, manteniendo todos los demás factores iguales, la presión ejercida sobre el área del recipiente bajo ella, es mayor, menor o igual? 3. Si consideras otra columna de la misma altura y área basal, pero de un líquido que tiene el doble de densidad, la presión ejercida por la nueva columna sobre el área del recipiente bajo ella, es mayor, menor o igual? 21

22 Tus respuestas anteriores nos dicen que la presión ejercida por una columna de líquido de densidad ρ, altura H y área basal A es independiente de A y es proporcional a H y a ρ. La fuerza que ejerce esta presión es el peso del líquido, que está dado por: mg = ρvg = ρahg y por lo tanto obtenemos el siguiente resultado para la presión hidrostática ejercida por una columna de líquido: P=ρgH O bien, si incluimos también el efecto de la columna de aire sobre la superficie del líquido: P = Po + ρ g H 22

23 En la figura se muestran varios recipientes de distintos volúmenes que están conectados por sus partes inferiores. 4. Cuando se eche agua en ellos, en qué orden se llenarán? Observa el video para chequear tu predicción. 5. Si llamamos uno al recipiente más a la izquierda, dos al siguiente y así sucesivamente, ordena los recipientes de mayor a menor valor de la presión en el fondo de cada recipiente. Escribe tu orden a continuación. 23

24 Por increíble que parezca, la relación P = ρ g H nos dice que la presión ejercida por el fluido en el fondo del recipiente depende sólo de la profundidad, no de la cantidad de líquido que hay en el recipiente. La presión en el fondo de todos los recipientes es la misma. Este hecho se conoce como la paradoja hidrostática. Piensa en el líquido encerrado en la caja imaginaria que se muestra en la figura entre los puntos A y B. 6. Qué dirección tiene la fuerza que ejerce el líquido a la izquierda de A sobre la tapa izquierda de la caja? 7. Qué dirección tiene la fuerza que ejerce el líquido a la derecha de B sobre la tapa derecha de la caja? 8. El líquido dentro de la caja está en reposo. Qué te permite deducir esto sobre el tamaño de las fuerzas en A y en B? 24

25 Observa ahora que ocurre cuando se saca de un recipiente con agua una botella sin fondo invertida y con su gollete tapado con un cartón. Observa que el nivel del agua en la botella está por debajo del nivel del agua en el recipiente. 9. Puedes predecir cuándo se suelta el trozo de cartón adherido al gollete? O no se suelta? Anota tu predicción. Observa el video para chequear tu predicción. Mientras el trozo de cartón no se caía, qué fuerzas actuaban sobre él? Cuál era de mayor magnitud? 10. Explica por qué se cae el trozo de cartón. 25

26 Observa el siguiente video. 11. Explica lo que observaste. 26

27 Observa el video de una botella con agua se vacía dentro de un vaso precipitado que recibe el líquido de la botella. 12. Intenta explicar lo que observaste. 13. Cuál es el valor de la presión en la superficie del fluido en contacto con el aire? 14. Cuál es el valor de la presión en el interior del fluido, en un punto dentro de la botella que está al mismo nivel que un punto de la superficie del fluido en contacto con el aire? 15. La presión en la parte superior del líquido dentro de la botella es mayor, menor o igual a la presión atmosférica? Tomando en cuenta tus respuestas anteriores, por qué deja de fluir el líquido en la botella? 16. Si este experimento se realizara en la superficie de la luna, donde no hay atmósfera, Qué resultado se obtendría? 27

28 Al sacar el papel, burbujas de aire penetran al agua y suben hasta la parte superior en donde la presión es menor que la atmosférica, esto hace que aumente un poco la presión en esa región y el desbalance hace que caiga un poco de agua. Cuando el agua en el vaso llega hasta el borde del gollete se hace imposible que entren burbujas de aire y la columna de agua dentro de la botella es mantenida por la presión atmosférica en la parte inferior que es mas grande que la presión arriba del líquido dentro de la botella. Este experimento es la base para construir bebederos para mascotas y sistemas de irrigación de plantas. 28