La enseñanza de los fluidos en los libros de texto de secundaria. Conceptos elementales no siempre presentes.

Documentos relacionados
Hidráulica aplicada a las instalaciones de extinción.

HIDRAULICA DE POTENCIA. Unidad 1. Bases físicas de la hidráulica

PRÁCTICA 3 PRESIÓN. Laboratorio de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo

TUTORIAL BÁSICO DE MECÁNICA FLUIDOS

Mecánica de fluidos. Fis 018- Ref. Capitulo 10 Giancoli Vol II. 6ta ed. 23 de octubre de 2016

Dinámica de Fluidos. Mecánica y Fluidos VERANO

HIDRODINÁMICA. Profesor: Robinson Pino H.

Guía de estudio y prueba de conocimientos sobre: CAPITULO 4: Fluidos Hidrostáticos

HIDRÁULICA 1.- NOCIONES SOBRE HIDRÁULICA INDUSTRIAL

PROPIEDADES DE LA MATERIA

Mecánica II GONZALO GUTÍERREZ FRANCISCA GUZMÁN GIANINA MENESES. Universidad de Chile, Facultad de Ciencias, Departamento de Física, Santiago, Chile

PRÁCTICA 1 PRESIÓN. Laboratorio de Termodinámica

FUNDAMENTOS DE FÍSICA TEMA II GRADIENTE DE PRESIÓN

COMPROBACIÓN DE LA ECUACIÓN DE BERNOULLI

2 La densidad de una sustancia es ρ, el volumen es V, y la masa es m. Si el volumen se triplica y la densidad no cambia Cuál es la masa?

COMPROBACIÓN DE LA ECUACIÓN DE BERNOULLI

COLEGIO DE BACHILLERES DEL ESTADO DE QUERÉTARO Plantel No. 7 El Marqués GUIA DE REGULARIZACIÓN DE FÍSICA II UNIDAD 1

PRESIÓN Y ESTÁTICA DE FLUIDOS

TEMA 1b: BIOMECANICA - FLUIDOS

Física para Ciencias: Principio de Arquímedes, Ecuaciones de Continuidad y Bernoulli.

Para no hundirte en la nieve es conveniente usar mayores superficies que la de los zapatos deportivos. Tampoco es recomendable usar tacones!

TEMA 2: PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS FLUIDOS

MECANICA DE LOS FLUIDOS

Problemas de Practica: Fluidos AP Física B de PSI. Preguntas de Multiopción

PRESION MANOMETRICA Y PRINCIPIO DE ARQUIMEDES. ELABORADO POR: DANIELA ALEJANDRA BARRETO GOMEZ MARIA CAROLINA BENAVIDES MUÑOZ VALENTINA ROJAS MARTINEZ

Cuarta Lección. Principios de la física aplicados al vuelo.

Física de fluidos. Densidad. kg/m. kg/m = S. kg/m. Principio de Arquímedes

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE EL SALVADOR ESCUELA DE FORMACIÓN BÁSICA. FÍSICA II PRÁCTICA 38 PRINCIPIO DE PASCAL. OBJETIVOS DEL APRENDIZAJE:

1. MÁQUINAS HIDRÁULICAS

OLEOHIDRÁULICA BÁSICA 2014

RESUMEN DEL PROGRAMA (parte de Hidráulica)

Prácticas de Laboratorio de Hidráulica

VII Congreso Nacional de Ciencias Exploraciones fuera y dentro del aula 26 y 27 de agosto, 2005 INBioparque, Santo Domingo de Heredia, Costa Rica

Problemas de Estática y Dinámica DINÁMICA DE FLUIDOS

BALANCES DE MASA Y ENERGÍA CAPITULO 1: BALANCES DE MATERIALES

PROGRAMA DE CURSO DE INGRESO - ASIGNATURA FISICA

Prof. Jorge Rojo Carrascosa

MECANICA DE FLUIDOS [ ] kg m

CUESTIONARIOS FÍSICA 4º ESO

Hidrodinámica. Conceptos

Formulario de Termodinámica Aplicada Conceptos Básicos Formula Descripción Donde F= fuerza (newton) Fuerza ( )

Colegio Cristo Rey Escolapios

Formatos para prácticas de laboratorio

FÍSICA CICLO 5 CAPACITACIÓN La Termodinámica es el estudio de las propiedades de la energia térmica y de sus propiedades.

Flujo en canales abiertos

; En el caso de fuerzas conservativas, de donde:

Formulario PSU Parte común y optativa de Física

MEDIDA DE CAUDAL. Prácticas de Laboratorio 1. INTRODUCCIÓN 2. BANCO DE ENSAYO 3. OBJETIVOS Y TRABAJO A REALIZAR

UNIDAD DIDÁCTICA 2. EL MODELO DE PARTÍCULAS DE LA MATERIA PROPUESTA DIDÁCTICA. LA MATERIA Y EL MODELO DOCUMENTO PARA EL ALUMNO

PPT DE APOYO CCNN FÍSICA NIVEL: 8 BÁSICO PROFESORA: GUISLAINE LOAYZA TEMA: LA FUERZA Y LA PRESIÓN

La presión y sus efectos Presión en sólidos Actividad:

CONCEPTOS DE HIDRAULICA Y NEUMÁTICA

Profesora: Rocío Fuenzalida Díaz CURSO: 7 Básico FECHA PRUEBA: 22 /06/ NOMBRE APELLIDO PATERNO APELLIDO MATERNO

Mecánica de Fluidos. Docente: Ing. Alba V. Díaz Corrales

UNIDAD DE FLUIDOS GUIA PARA EL PROFESOR. La dinámica de los fluidos es el estudio de un fluido en movimiento y de las fuerzas que lo producen.

HIDROMECÁNICA. HIDROSTÁTICA: Estudia el comportamiento de los fluidos considerados en reposo o equilibrio

APUNTES DE FÍSICA II Profesor: José Fernando Pinto Parra UNIDAD 1 ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS

1.2-Presión. Se incluye los temas de flujo y caudal

LABORATORIO #6 DEMOSTRACIÓN DEL TOREMA DE BERNOULLI LUIS CARLOS DE LA CRUZ TORRES GILDARDO DIAZ CARLOS ROJAS PRESENTADO EN LA CÁTEDRA:

LOS GASES Y LAS DISOLUCIONES. Departamento de Física y Química 3º ESO

Laboratorio de Mecánica de Fluidos I

INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA PROGRAMA PROSECUCION DE ESTUDIOS VESPERTINO GUIA DE LABORATORIO

Clase 2. Estructura de la Atmósfera

MECÁNICA DE FLUIDOS. Docente: Ing. Alba Díaz Corrales

FACULTAD DE CIENCIAS CURSO DE INTRODUCCION A LA METEOROLOGIA 2008

Capítulo 10. Efectos de superficie. Sistema respiratorio

PRÁCTICA 2: MEDIDORES DE FLUJO

LABORATORIO DE FENÓMENOS COLECTIVOS

El principio de Bernoulli y efecto de tubo de Venturi. Mariel Romero, Edna Rodríguez, Gabriela Ruvalcaba Claudia Bernal

1 PRACTICA # 1 PROPIEDADES FISICAS DE LOS FLUIDOS

Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales. Cátedra de Mecánica de los Fluidos. Carrea de Ingeniería Civil

Programa de la asignatura Curso: 2006 / 2007 INGENIERÍA FLUIDOMECÁNICA (3273)

MECANICA DE FLUIDOS I. Departamento de Metalurgia Universidad de Atacama

Física II MOVIMIENTO ONDULATORIO INGENIERIA DE SONIDO

El tubo De Vénturi. Introducción

Mediciones en Mecánica de Fluidos

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

NOCIONES BASICAS ES LA MATERIA QUE INTEGRA UN CUERPO SÓLIDO, UN LIQUIDO O UN GAS.

Como la densidad relativa es adimensional, tiene el mismo valor para todos los sistemas de unidades.

La otra ecuación matemática que describe a los fluidos en movimiento es el número de Reynolds:

Capitulo 4: Dinámica de los fluidos I (Análisis global del comportamiento dinámico de los fluidos).

DIFERENCIA ENTRE FLUIDOS Y SÓLIDOS

Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas

REPÚBLICA DE CUBA MINISTERIO DE EDUCACIÓN DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN TÉCNICA Y PROFESIONAL

Asignatura: Mecánica de Fluidos. Transporte de Fluidos

TEMA II.5. Viscosidad. Dr. Juan Pablo Torres-Papaqui. Departamento de Astronomía Universidad de Guanajuato DA-UG (México)

Principios de hidrodinámica

Vertedores y compuertas

Capítulo 2. Sensores. Sistema de control de calentamiento de aire en lazo cerrado. Función de transferencia de un sensor lineal de acción directa

Cinética. 1. Introducción Cantidad de movimiento Teorema del centro de masas... 2

Saint Gaspar College MISIONEROS DE LA PRECIOSA SANGRE Formando Personas Integras

Guía de Ejercicios de Estática de Fluidos

COLEGIO OQUETZA XXIV CONGRESO CUAM ACMOR FUENTE DE HERÓN EDGAR ISMAEL GARCÍA ROMERO LEILANI LEZAMA CORTEZ DAFNE RODRIGUEZ GONZALEZ

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR UNIDAD DE LABORATORIOS LABORATORIO A SECCIÓN DE MECÁNICA DE FLUIDOS

Anejo 1. Teoría de Airy. Solución lineal de la ecuación de ondas.

2 o Bachillerato. Conceptos básicos

Campo de velocidades se puede representar mediante una función potencial φ, escalar

GUÍA DE LABORATORIO PARA LA COMPROBACIÓN DEL PRINCIPIO DE ARQUIMEDES 1. INTRODUCCIÓN

Equilibrio de fuerzas Σ F z = 0. Σ M y = 0 Σ M x = 0 Σ M z = 0. Equilibrio de momentos. Segunda ley de Newton (masa)

INSTRUMENTOS Y/O DISPOSITIVOS PARA MEDIR CAUDALES EN TUBERÍAS

Transcripción:

La enseñanza de los fluidos en los libros de texto de secundaria. Conceptos elementales no siempre presentes. Juan Miguel Suay Belenguer Ingeniero Superior Industrial Diplomado en Estudios Avanzados en Historia de la Ciencia jm_suay@yahoo.com Introducción Es curioso que cuando en este año se cumple el centenario del desarrollo de la Relatividad, teoría presente en los actuales libros de texto, se ve como otras disciplinas tradicionales de la física han ido desapareciendo paulatinamente de los manuales de enseñanza. Este es el caso de los fluidos. La mecánica de fluidos tiene una vertiente teórica compleja, como la hidrodinámica y aerodinámica, relegada a lo largo de la historia a cursos de especialización en la universidad. Pero su vertiente más sencilla como la hidrostática y la descarga de depósitos, estuvo presente en los textos de física, desde que a principios del siglo XIX se reguló la enseñanza pública en España. En éstos primeros manuales se abordaba el estudio de la flotabilidad de los cuerpos en los fluidos (Principio de Arquímedes), cosa que se ha mantenido hasta la actualidad pero de una manera más somera, incluso desapareciendo en algún texto de ESO. Pero en los manuales pertenecientes a los antiguos planes de enseñanza, también se trataba la descarga de depósitos o la circulación del agua por conductos (Principio de Torriccelli y Ecuación de Bernouilli) conceptos desaparecidos en los actuales textos de física. Tras una consulta realizada a los textos más representativos utilizados desde 80 hasta la actualidad, así como los programas y currículos de las asignaturas de física y tecnología he comprobado el declive de los conceptos asociados a la mecánica de fluidos, tal es así, que la actualidad en 4º de ESO se estudia tan solo bajo el epígrafe de Fuerzas en el interior de los fluidos. Presiones hidrostática y atmosférica, y en º de BAT tan solo en la optativa Mecánica en el apartado Hidráulica técnica. En cuanto a las asignaturas de Tecnología no se aborda el aspecto práctico del estudio de los fluidos, dándose la circunstancia que el origen del estudio de los mismos se debe principalmente a la necesidad de solucionar problemas como en de las máquinas hidráulicas (bombas y turbinas) y los sistemas de distribución y almacenamiento de agua o la construcción naval y el nacimiento de la aviación. Creo que a pesar del extenso contenido de los currículos de las asignaturas, es necesario recuperar la introducción de conceptos relacionados con la mecánica de fluidos, tradicionalmente presentes en los libros de texto y que junto con el Principio de Arquímedes y el de Pascal permitirán entender el funcionamiento de una serie de objetos cotidianos como por ejemplo los sifones de los lavabos, las bombas centrifugas, los aerógrafos, etc. - -

Conceptos básicos sobre fluidos. Paso a enumerar una serie de conceptos básicos sobre dinámica de fluidos que en mi modesta opinión deberían ser tratados en ESO y Bachiller. Se que algunos de ellos están en el currículo de la asignatura optativa de segundo de bachiller Mecánica, pero creo que debería aparecer dentro de la asignatura de física o tecnología, como ejemplo o aplicación de los concentos de presión, energía, densidad, peso especifico o compresibilidad. Presión barométrica y manométrica. En un fluido se define la presión en un punto del mismo como la fuerza normal por unidad de área que existe. La presión se puede medir respecto a cualquier base de referencia arbitraría, siendo las más usadas el vacío y la presión atmosférica local. Cuando una presión se expresa como una diferencia entre su valor real y el vacío hablamos de presión absoluta. Si la diferencia es respecto a la presión atmósfera local entonces se conoce por presión manométrica. El instrumento utilizado para medir una presión absoluta es el barómetro. Consta de un tubo lleno de un fluido, normalmente mercurio, en cuya boca se ejerce la presión externa P que se quiere medir. Para que exista esta columna dentro del tubo P tiene que ser igual al peso del fluido que existe dentro por unidad de área: - -

P γ H Donde γ es el peso específico del fluido. Una atmósfera normal son 0,35 kpa, en este caso el valor de H: P H γ agua 3 0, 35 0 N/m 980 N/m 0,3 m.c.a (Barometro de Agua) P H γ Hg 3 0, 35 0 N/m 3346 N /m 760 mm. de Hg (Barómetro de Mercurio) Los manómetros son los instrumentos encargados de medir las presiones manométricas. Pueden medir las presiones efectivas (sobre la atmósfera), o depresiones con respecto a la atmósfera o diferencias de presión entre dos puntos de toma. Veamos un ejemplo Si en una tubería conteniendo un fluido en reposo o movimiento, colocamos un tubo, tal como muestra la figura. Sobre las paredes de la tubería se ejerce una presión P, que si es superior a la atmosférica, el agua subirá por el tubo, hasta una altura H, que será igual al peso de la columna del fluido. P P atm + γ H γ : Peso específico del fluido. H: altura en metros El término γh es la presión manométrica que se conoce también por nombre de altura de presión. En la práctica, los barómetros y manómetros más utilizados son de tipo mecánico, en los que el peso del fluido contenido en el tubo se sustituye por un muelle. El peso especifico de una sustancia es igual a la densidad por la aceleración de la gravedad (ρ g) y se mide en N / m 3. Para el caso del agua es 9.80 N / m 3 y para el mercurio 33.46 N / m 3 atm 0,35 kpa 760 mm de Hg 0,3 m.c.a 4,7 psi - 3 -

Fig. Manómetros para medir la presión a la entrada y salida de una bomba contra incendios Presión Estática y Dinámica La presión estática existente en un fluido en un punto se define como la fuerza que ejerce el mismo perpendicularmente a la unidad de superficie. La presión estática varía de un punto a otro, dependiendo de las fuerzas por unidad de volumen a las que esté sometido el fluido, si éste se encuentra en reposo la presión es igual en todas direcciones. Si consideramos un depósito en reposo, sometido a un campo gravitatorio, la presión estática absoluta en el fluido a la profundidad h será: P e P atm + ρ g h - 4 -

P atm : Presión sobre la superficie. ρ: Densidad del fluido (Kg/m 3 ). g: aceleración de la gravedad (9,8 m/s ). h: profundidad. Si P atm es la presión atmosférica ρ g h será la presión manométrica. Dado que la presión varía de un punto a otro del fluido, un elemento de volumen estará sometido a un gradiente de presión 3, es decir que la misma variará entre las superficies que limitan el elemento de volumen, si este gradiente de presión no se compensa con las fuerzas externas 4 aplicadas por unidad de volumen, el elemento sufrirá una aceleración, esto implicará la existencia de un campo de velocidades en cada punto del fluido. En este caso se puede definir la denominada presión dinámica. ρ: densidad 5 del fluido (Kg/m 3 ). v: velocidad del fluido (m/s). Esta expresión que tiene unidades de presión es la energía cinética del fluido debida a la velocidad del fluido en su movimiento. La presión dinámica no se manifiesta ejerciendo una fuerza sobre una superficie, como ocurre con la presión estática, sino que es la energía por unidad de volumen que posee el fluido en movimiento. Dimensionalmente tiene unidades de presión, ya que expresa la energía cinética del fluido por unidad de volumen, y ambas unidades son equivalentes dimensionalmente. Ecuación de Continuidad ρ v P d Pd ( densidad) ( velocidad) M L L T M L T Fuerza ( Masa) ( Aceleración) P M L T L M L T Superficie Superficie Energía ( Fuerza) ( Espacio) ( Masa) ( Aceleración) ( Espacio) Volumen Volumen Volumen M L T L L M L T Consideremos un fluido, que atraviesa dos superficies S y S, las cuales, son perpendiculares 3 3 U V W Pascales 3 Se supone que el fluido es ideal, es decir que no existen fuerzas viscosas. 4 Generalmente son fuerzas másicas, es decir que se aplican sobre la masa del fluido como consecuencia de la presencia de un campo de fuerza externo. Por ejemplo un campo gravitatorio. 5 En un fluido se puede definir la densidad en un punto, es lo que se conoce como la hipótesis del continuo. - 5 -

a las direcciones de las líneas de corriente 6 del fluido. Como entre ambas superficies no existe ninguna fuente ni sumidero de fluido, la masa (M) que atraviesa las superficies tiene que ser igual, por tanto: M M El caudal másico de fluido que atraviesa una superficie, es igual: ρ: Densidad del fluido (Kg/m 3 ). S: Área (m ). v: velocidad del fluido (m/s). M ρ S v Si consideramos que la densidad del fluido no varía entre las dos superficies, es decir que el fluido es incompresible 7, tenemos: M ρ S v M ρ S v S v S v ρ S v constante Ecuación de Continuidad Definiremos el caudal volumétrico que circula por un tubo de corriente de sección S al producto: Q S v La ecuación de continuidad hace que cuando un fluido incompresible circula por una sección S hacia otra S, tal que S > S la velocidad aumenta (v < v ) 6 Se define como la línea que en cada uno de sus puntos es tangente al vector velocidad de una partícula de fluido en un momento dado. 7 Esta simplificación es válida para el agua y el aire para velocidades inferiores al 50 % de la del sonido. - 6 -

Ecuación de Bernoulli Ecuación de Bernoulli es una relación fundamental para entender el comportamiento de los fluidos incompresibles en movimiento, dentro de un campo gravitatorio, en ausencia de rozamientos y fuerzas viscosas. Para deducir el mismo aplicaremos el principio trabajo y energía: El trabajo aplicado a un sistema por fuerzas externas al mismo se emplea en variar la energía total del mismo. Consideremos un fluido que circula por un tubo de corriente de sección variable la cual varía su altura respecto a un plano de referencia desde la altura z a z, tal como se representa en la figura. Considere el flujo incompresible y que circula sin rozamiento. Inicialmente el fluido se encuentra entre los puntos y, al cabo de un cierto tiempo t, el fluido se habrá movido y estará comprendido entre los puntos y. La variación debida al movimiento es como si el volumen de fluido comprendido entre y que se encontraba a una cota z y poseía una velocidad v, se ha elevado a la altura z y ahora posee una velocidad v. Sea m ρ V masa de la porción de fluido comprendida entre - y -. - 7 -

La variación de energía potencial que ha experimentado m, es igual a: Y la variación de la energía cinética: Ep m g z - m g z ρ V g (z - z ) Ec m v - m v ρ V ( v - v ) Para que se produzca el movimiento del fluido situado en el volumen -, el fluido situado a la izquierda del mismo ejerce una fuerza F, hacia la derecha de valor: Donde: F P A P : es la presión estática en A : es la sección del tubo en Al mismo tiempo el fluido que precede al comprendido entre - ejerce una fuerza F hacia la izquierda de valor: Donde: P : es la presión estática en A : es la sección del tubo en. Estas fuerzas realizan un trabajo: El trabajo total: F P A W F x P A x P V W F x P A x P V Wt W - W P V - P V (P - P ) V Este trabajo se utiliza en aumentar la energía cinética y potencial de m: Wt Ep + Ec (P - P ) V V g (z - z ) + ρ ρ V (v-v ) Dividiendo por V y agrupando los subíndices: P + g z + ρ ρ v P + ρ g z + ρ v - 8 -

O expresándolo en términos de altura de presión: Este resultado lo posemos escribir como: P v +z + g P +z + v γ γ g γ ρ g P v +z+ γ g cont. Esta expresión establece que en un tubo de corriente: La suma de la altura de presión estática más la altura geométrica más la presión dinámica permanece constante a lo largo de un tubo de corriente. Veamos unos ejemplos de la aplicación de la ecuación de Bernoulli. Consideremos en primer lugar el ejemplo de un sifón: Como la velocidad del fluido permanece constante v v,: P P +z +z γ γ En la figura el fluido esta circulando por un tubo horizontal (z z ) pasando de una sección menor a una mayor. La ecuación queda: P v + g P + v γ γ g Cuando pasa del tubo estrecho al ancho la velocidad en virtud de la ecuación de continuidad disminuye (v < v ) por lo tanto para que se cumpla la relación anterior la presión debe aumentar (P > P ). Esto es una importante consecuencia de la ecuación de Bernoulli: - 9 -

Si se desprecian los efectos del cambio de altura la presión de un fluido esta en relación inversa con su velocidad. En el caso de un surtidor en donde la presión permanece constante toda la energía de velocidad se gasta en adquirir energía cinética: z + v g z + v g Ecuación de descarga Sea un depósito con un orificio inferior por el que se esta vaciando: La velocidad con la que sale en líquido es igual: v: velocidad. g: aceleración de la gravedad (9,8 m/s ). h: altura. v g h A esta expresión se conoce como la ecuación de Torricelli y se puede deducir aplicando Bernoulli entre los puntos y, antes y después del orificio: La velocidad en se puede considerar nula, ya que consideramos que h es lo suficientemente grande y la presión en es la atmosférica por lo tanto la presión manométrica, será nula, así: - 0 -

P v h v v g h γ g g Por lo tanto el caudal que sale por el orificio será: Q K S v Q: Caudal. S: Sección del orificio. K: es un factor que tiene en cuenta la astricción que sufre el fluido en su salida. v: velocidad de descarga. Aplicado el valor de v: Por lo tanto el caudal es proporcional a la sección de salida y a la raíz cuadrada de la presión antes de la salida del orificio. A esta expresión se le conoce como ecuación de descarga. Resumen P v + g P + v γ γ g QK S g h k S P Absoluta y Manométrica Presión Estática y Dinámica Ecuación de continuidad ρ S v constante Ecuación de Bernoulli P v +z+ γ g cont. Ecuación de Torricelli v g h Ecuación de descarga Qk S P - -

Bibliografía: FEYMMAN, R. (998) Física (Vol. II). Electromagnetismo y materia. Méjico Addison Wesley Longman, pp. 40. 40.9. WHITE, F.W. (988). Mecánica de fluidos. Méjico, McGraw Hill. Abril 005 - -