Material de presión de fluidos
En física, la presión se define como la fuerza por unidad de área, donde la dirección de la fuerza es perpendicular al área de la superficie. Matemáticamente, la presión se expresa mediante la ecuación P = F/A, donde P = presión, F = fuerza y A = área de la superficie. La unidad de fuerza (F) es el Newton (N), y la unidad de área es el metro cuadrado (m² ) . Dado que la presión es la fuerza por unidad de área, su unidad es N/m² . Otro nombre para N/m² es pascal (Pa). El pascal se utiliza como unidad de presión en honor a Blaise Pascal.
Cuando un fluido está en reposo, ejerce una fuerza perpendicular a toda la superficie con la que está en contacto. Por ejemplo, consideremos el agua en un vaso; cada porción de agua ejerce una fuerza perpendicular a la pared del vaso. Por lo tanto, cada porción de agua ejerce una fuerza perpendicular a cada unidad de área del recipiente que ocupa. Esta es una propiedad importante de un fluido estático, un fluido en reposo. Cuando un fluido ejerce una fuerza sobre una superficie, donde la fuerza no es perpendicular, la superficie ejercerá una fuerza de reacción, también no perpendicular. Esto provocará que el fluido fluya. Sin embargo, en realidad, el fluido permanece en reposo. Por lo tanto, en un fluido en reposo, la fuerza siempre es perpendicular a la superficie del recipiente que ocupa.
Otra propiedad importante de un fluido en reposo es que siempre ejerce presión en todas direcciones. Para comprenderlo mejor, coloque un objeto flotando en un recipiente con agua. Si el agua está completamente en reposo, el objeto permanecerá inmóvil porque la presión ejercida sobre toda su superficie es igual. Si la presión del agua es desigual, habrá una fuerza neta que provocará el movimiento del objeto.
Efecto de la profundidad sobre la presión
¿Cómo influyen la profundidad y la altura en la presión de un fluido? ¿Es la presión del agua de mar a 10 metros de profundidad la misma que a 100 metros? Consideremos la presión del agua en un recipiente, como se muestra en la figura. La altura de la columna de líquido es h y su área de sección transversal es A. ¿Cuál es la presión del agua en el fondo del recipiente?
w = peso del agua, h = altura de la columna de agua en un recipiente cilíndrico, A = área de la superficie y P es la presión.
Informacion:
w = gravedad
ρ = densidad
m = masa
g = aceleración debida a la gravedad
V = hA = volumen de la columna de líquido (h = altura, A = área de la superficie)
Si lo sustituimos en la ecuación de presión, obtenemos:
p = ρ gh → Ecuación 1 (contenedor cerrado)
p = pa + ρ gh → Ecuación 2 (contenedor abierto)
Informacion:
pa = Presión atmosférica
ρ gh = Presión hidrostática
En la imagen de arriba no se representa la presión atmosférica, pero en realidad, si el recipiente que contiene agua está abierto, la presión atmosférica también actuará sobre la superficie del agua, dirigida hacia abajo.
Según la ecuación anterior, la presión es directamente proporcional a la densidad y la profundidad del líquido (la aceleración gravitatoria permanece constante). A medida que aumenta la profundidad, la presión también aumenta. Los líquidos son prácticamente incompresibles debido al peso del líquido que se encuentra sobre ellos, por lo que su densidad permanece constante. Si la diferencia de altura es muy grande (por ejemplo, en aguas marinas muy profundas), la densidad varía ligeramente. Sin embargo, si la diferencia de altura no es muy grande, la densidad del líquido es prácticamente la misma o la diferencia es tan pequeña que puede despreciarse.
También podemos usar la ecuación anterior para calcular la diferencia de presión a diferentes profundidades. La ecuación anterior se puede reescribir como:
Presión atmosférica
Cuando buceamos, todo nuestro cuerpo queda envuelto en agua. Cuanto más profundo buceamos, mayor es la presión que sentimos. De hecho, a diario también estamos envueltos por la atmósfera, que ejerce presión constante sobre todas las partes de nuestro cuerpo, al igual que cuando estamos bajo el agua. De igual modo que en el agua de mar, la superficie terrestre puede compararse con el "fondo marino" de la atmósfera. Si es cierto que la atmósfera también ejerce presión sobre todas las partes de nuestro cuerpo en todo momento, ¿por qué no la sentimos, como si estuviéramos en el fondo del mar? Las células de nuestro cuerpo mantienen una presión interna casi igual a la presión externa. Por eso no sentimos los efectos de esta diferencia de presión.
La presión atmosférica terrestre también varía con la altitud. Sin embargo, difiere ligeramente de la de los líquidos. La variación en la densidad de los líquidos es mínima para pequeñas diferencias de profundidad, por lo que se asume que su densidad es la misma. Esto difiere de la densidad de la atmósfera terrestre, que varía significativamente con la altitud. La densidad del aire es diferente a distintas altitudes, por lo que no podemos calcular la presión atmosférica utilizando la ecuación anterior. Además, no existe un límite atmosférico definido desde el cual se pueda medir la altitud. La presión atmosférica también varía con las condiciones meteorológicas. Para determinarla, realizamos mediciones.
Medición de presión
Evangelista Torricelli (1608-1647), discípulo de Galileo, desarrolló en 1643 un método para medir la presión atmosférica utilizando su barómetro de mercurio. El barómetro consistía en un tubo de vidrio largo lleno de mercurio. Este tubo se colocaba invertido en un recipiente también lleno de mercurio.
Cuando se coloca boca abajo un tubo de vidrio que contiene mercurio, el extremo del tubo no se llena de mercurio, sino que solo contiene vapor de mercurio cuya presión es tan pequeña que se ignora (p2 = 0). En la superficie del mercurio en la placa, hay una presión atmosférica dirigida hacia abajo (la atmósfera presiona sobre el mercurio en la placa). Esta presión atmosférica sostiene la columna de mercurio en el tubo de vidrio. En la imagen, la presión atmosférica está simbolizada por po La magnitud de la presión atmosférica se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:
p o = ρ gh
Según los resultados de las mediciones, la presión atmosférica promedio a nivel del mar es de 1,013 x 10⁵ N /m² . Esta magnitud se utiliza para definir otra unidad de presión: la atmósfera (atm). Así, 1 atm = 1,013 x 10⁵ N /m² = 101,3 kPa (kPa = kilopascal). Otra unidad de presión es el bar (frecuentemente utilizado en meteorología). 1 bar = 1,00 x 10⁵ N /m² = 100 kPa.
¿Cómo se obtiene el valor de presión atmosférica anterior?
La medición utiliza el principio demostrado por Torricelli anteriormente. La altura de la columna de mercurio utilizada es de 76 cm (la presión atmosférica solo puede soportar una columna de mercurio de 76,0 cm de altura), donde la temperatura del mercurio utilizado es exactamente 0 oC y la magnitud de la aceleración gravitatoria es de 9,8 m/s2La densidad del mercurio en estas condiciones es de 13,6 x 103 kg / m3Presión atmosférica:
Manómetro
Existen muchos instrumentos que se utilizan para medir la presión, incluido el manómetro de tubo abierto.
En un manómetro de tubo abierto, donde el tubo tiene forma de U, este se llena parcialmente con un líquido (mercurio o agua). La presión medida está relacionada con la diferencia de altura entre los dos líquidos introducidos en el tubo. La presión se calcula mediante la siguiente ecuación:
En general, no se calcula el producto de ρ gh, sino la altura del líquido (h), ya que la presión a veces se expresa en milímetros de mercurio (mm hg) o milímetros de agua (mm H 2 O). Otro nombre para mm hg es torr (en memoria de Evangelista Torricelli).
Además de los manómetros, existen otros instrumentos de medición, como los barómetros aneroides, tanto mecánicos como eléctricos, incluyendo medidores de presión de neumáticos, etc. El instrumento utilizado por Torricelli para medir la presión atmosférica también se denomina barómetro de mercurio, en el que un tubo de vidrio se llena con mercurio y luego se invierte sobre una placa que también contiene mercurio.
Presión nominal, presión manométrica y presión absoluta
Al inflar los neumáticos de un vehículo, se suele utilizar un manómetro. Esto garantiza que la presión no sea ni demasiado baja ni demasiado alta. Al inflar los neumáticos, solo se mide la presión del aire dentro del neumático. No se tiene en cuenta la presión atmosférica. No solo al medir la presión de los neumáticos, sino también en la mayoría de las demás mediciones de presión, no se mide la presión atmosférica. Esta presión medida se denomina presión absoluta. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre esta y la presión absoluta?
Presión absoluta = presión atmosférica + presión medida. Por lo tanto, para obtener la presión absoluta, sumamos la presión medida a la presión atmosférica. En otras palabras, presión absoluta = presión total. Matemáticamente, esto se puede escribir como:
p = pa + medida p
Por ejemplo, si la presión del neumático que medimos es de 100 kPa, entonces la presión absoluta es:
p = pa + medida p
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
La presión absoluta = 201 kPa.
Existe otro término: presión manométrica, también conocida como presión de referencia. La presión manométrica es la presión que excede la presión atmosférica. Por ejemplo, consideremos la presión de los neumáticos de una motocicleta. Cuando un neumático de motocicleta está desinflado, la presión en su interior es igual a la presión atmosférica (presión atmosférica = 1,01 x 105⁵ Pa = 101 kPa). Al inflar el neumático, la presión aumenta naturalmente. Cuando la presión supera los 101 kPa, esta presión adicional también se denomina presión manométrica.
Ejemplos de preguntas sobre presión de fluidos
Ejemplo de pregunta 1:
Un submarino se sumerge hasta una profundidad de 200 metros. ¿Cuál es la presión que experimenta el submarino?
¿La inmersión? g = 10 m/s2
Discusión
Se sabe que:
Profundidad (h) = 200 m
Densidad del agua de mar (ρ) = 1,03 x 103 kg / m3 = 1030 kg / m3 (ver tabla de densidad)
Presión atmosférica (Pa) = 1 atm = 1 x 105 Nuevo Méjico2 = 1 x 105 (Kg m/s2)/metro2 = 1 x 105 Kg/ms2
Aceleración debida a la gravedad (g) = 10 m/s2
Preguntado: Presión
Respuesta :
El recipiente está abierto, por lo que la presión atmosférica no se incluye en los cálculos.
Ejemplo de pregunta 2:
Un depósito de agua de 10 metros de altura está lleno de agua. Si la superficie del depósito de agua es
Con el recipiente cerrado, ¿cuál es la presión del agua en el fondo? g = 10 m/s2
Discusión
Se sabe que:
Altura (h) = 10 m
Densidad del agua (ρ) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Presión atmosférica (Pa) = 1 atm = 1 x 105 Nuevo Méjico2 = 1 x 105 (kg m/s2) / metro2 = 1 x 105 Kg/ms2
Aceleración debida a la gravedad (g) = 10 m/s2
Preguntado: Presión
Respuesta :
El recipiente está cerrado, por lo que la presión atmosférica no se incluye en los cálculos.
Ejemplo de pregunta 3:
La altura de la columna de agua (derecha) es de 50 cm, mientras que la altura de la columna del otro líquido (izquierda) es de 30 cm. ¿Cuál es la densidad del otro líquido?
Discusión
Se sabe que:
Aceleración debida a la gravedad (g) = 10 m/s2
Nivel del agua (h1) = 50cm
Densidad del agua (ρ1) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Otra altura de fluido (h2) = 30cm
Densidad de otros líquidos (ρ2) =?
pa + ρ 1 gh 1 = pa + ρ 2 gh 2
La presión atmosférica (Pa) y la aceleración gravitatoria (g) son iguales, por lo que se cancelan entre sí.
Ejemplo de pregunta 4:
Dentro de un tubo de vidrio hay un líquido de 10 cm de altura. La presión del agua en el fondo del tubo es de 1200 N/m.2Si g = 10 m/s2Ignorando la presión atmosférica, ¿cuál es la densidad del líquido?
A. 800 kg/m3
B. 900 kg/m3
C. 1000 kg/m3
D. 1200 kg/m3
E. 1300 kg/m3
Discusión :
Es conocida :
Altura líquido (h) = 10 cm = 0,1 metros
Presión del agua (P) en la base del tubo = 1200 N/m2
Aceleración terrestre (g) = 10 m/s2
Preguntó :
Densidad ¿líquido?
Mandíbula :
Densidad El líquido tiene una densidad de 1200 kg/m³.3.
La respuesta correcta es D.
Ejemplo de pregunta 5:
El mercurio en recipientes conectados tiene una diferencia de superficie de 3 cm. La densidad del mercurio es de 13,6 g/cm³.3La altura del líquido en el tubo de la izquierda es de 10 cm. ¿Cuál es la densidad del líquido?
A. 800 kg/m3
B. 1030 kg/m3
C. 1080 kg/m3
D. 1300 kg/m3
E. 1360 kg/m3
Discusión :
Es conocida :
Altura (h) de Mercurio = 3 cm = 0,03 m
Densidad del mercurio = 13,6 g/cm³3 = 13600 kg / m3
Altura (h) del líquido = 10 cm = 0,1 m
Preguntó :
Densidad ¿líquido?
Respuesta :
El sistema se encuentra en un estado de equilibrio estático, por lo tanto, la presión del líquido (tubo izquierdo) es igual a la presión del mercurio (tubo derecho).
Paire + Plíquido = Paire + Praksa
La presión del aire es la misma, por lo que se elimina de la ecuación.
P líquido = P aire
La respuesta correcta es C.
