Es el estudio de presiones en un fluido en reposo y las fuerzas de presión actuando sobre áreas finitas

Es el estudio de presiones en un fluido en reposo y las fuerzas de presión actuando sobre áreas finitas. Como el fluido está en reposo, no hay esfuerzos actuando sobre él; no hay movimiento, no hay aceleración y las fuerzas actúan perpendicularmente sobre cualquier superficie exterior; independientemente de la viscosidad

La densidad de una sustancia, se define como la masa de la unidad de volumen de dicha sustancia.

En el sistema Técnico el peso específico se define como el peso de la unidad de volumen de una sustancia.

En el sistema M.K.S., el peso específico de una sustancia, se define como la fuerza ejercida por la gravedad de la tierra sobre la unidad de volumen de dicha sustancia.

Los valores de la densidad y peso específico del agua en los diferentes sistemas de unidades serían:

El peso de una sustancia expresado en función de la densidad y de su peso específico sería:

La densidad relativa de una sustancia, es la relación de su densidad, comparada con la densidad del agua a una temperatura de 4°C y una presión (atmosférica) estándar. Esta medida es adimensional.

Supongamos dos cuerpos que están en contacto con el suelo figura 2.1. En a) el cuerpo está ejerciendo una fuerza sobre el suelo, que es debida a su propio peso, y el suelo a su vez está ejerciendo una fuerza de reacción. La fuerza se transmite a través de una superficie que es la de contacto entre el cuerpo y el suelo. Si colocamos un cuerpo b) de igual peso que a) pero con la característica de que la superficie de contacto sea mayor, la fuerza total ejercida será la misma, pero la fuerza ejercida sobre un centímetro cuadrado (presión) en el segundo caso será menor.

Si tenemos dos cuerpos con diferente peso figura 2.2, con igual superficie de contracto, el que tiene mayor peso, estará ejerciendo mayor presión.

Se ve que el valor de la presión depende de dos conceptos: está en razón directa con la fuerza ejercida y en razón inversa a la superficie de contacto. Por lo tanto:

Las presiones siempre se consideran perpendiculares a las áreas o superficies sobre las cuales actúan.

La presión absoluta, es la presión referida al cero absoluto o vacío total, es decir, su medida se hace con relación al cero absoluto.

La presión relativa, es la presión referida a la presión atmosférica del lugar; es decir, la presión atmosférica del lugar sería el punto de referencia cero en este caso.

Con el fin de no manejar cifras muy altas en los aparatos de medición de presiones, estos vienen con escalas expresadas en Kgr / Cm₂

(2) Presión atmosférica reinante = 1,015Kgr / Cm₂, presión atmosférica de un determinado lugar.

En la figura 2.8, sea A un punto a una presión absoluta de 3,75 Kgr / Cm₂. La presión manométrica dependerá de la presión atmosférica del lugar. Si tal presión fuera la atmosférica normal a nivel del mar (1,033 Kgr / Cm₂), la presión manométrica en A sería:

Si la lectura barométrica del lugar fuera de 1,015Kgr / Cm₂, la presión manométrica sería:

Sea B un punto a una presión absoluta de 0,52 Kgr / Cm₂. Este valor está representado gráficamente por un punto ubicado por debajo de la línea que representa la presión atmosférica del lugar, y la presión manométrica en B sería:

Si la determinación de la presión en B se hubiese hecho a nivel del mar, la presión manométrica en B hubiera sido: 0,52 – 1,033 = - 0,513 Kgr / Cm₂ Man.

Sea C un punto a una presión absoluta igual a cero. A nivel del mar, esta condición es equivalente a una presión manométrica "Normal" negativa de –1,033 Kgr / Cm₂ y a una presión manométrica, referida a la presión atmosférica del lugar de -1,015Kgr / Cm₂.

ü La presión absoluta, es la presión medida teniendo como referencia un vacío perfecto, el cero absoluto; por lo tanto nunca podrá ser negativa.

ü Las presiones manométricas son referidas a la presión atmosférica del lugar; siendo positivas las presiones que están por encima de dicha presión y negativas las que son menores. Una presión menor que la presión atmosférica del lugar, es una presión manométrica negativa y se llama “vacío parcial”.

ü Las presiones manométricas negativas no pueden exceder de un límite teórico de la presión atmosférica del lugar, pues se estaría por debajo del cero absoluto, lo cual no es posible.

No es por la fuerza de succión que uno hace solamente. Aunque parezca no tener nada que ver, para tomar mate usamos el peso del aire sobre nuestras cabezas.

Todo el aire que hay por encima de nosotros tiene un peso. Tanto los gases como los líquidos distribuyen esa presión en todas direcciones. Antes de seguir aclaremos el significado de una palabra: Presión.

Para la física la presión no es una fuerza. Las fuerzas actúan en determinadas direcciones, la presión no. Para tener una idea acertada, pensemos en la presión como la fuerza por unidad de superficie. Esa es justamente su definición. Es una fuerza distribuida en una superficie, así que cada vez que aparezca una presión irá acompañada de unas unidades como ser Kg/cm², que indica que es una fuerza de tantos kilogramos por cada centímetro cuadrado de superficie que se exponga a dicha presión.

¿Cómo es esto, entonces de la presión en todas direcciones? No es que estando bajo techo no sintamos el peso de la atmósfera y al salir a un espacio abierto nos caiga repentinamente todo ese peso. Sabemos por experiencia que esto no es así. Justamente ese peso se distribuye en todas direcciones. Sobre el mate está siendo ejercida una presión desde todos lados. Lo que hacemos al aspirar es disminuir la presión en el interior de la bombilla, entonces el líquido va a sentir una presión más grande viniendo desde afuera del mate, y se va a introducir en la bombilla donde hay menor presión. Por esa razón los dentistas sugieren, luego de una extracción, no tomar mate porque al crear una disminución de la presión en la boca, ésta puede abrir las heridas. Lo mismo pasa con un sorbete. Si el mismo está perforado, costará mucho absorber el líquido porque la presión atmosférica actuará por el orificio compensando la disminución de presión por absorción.

Un experimento: Si tomas una gaseosa o cualquier líquido, prueba hacerlo con dos sorbetes, uno que vaya de tu boca al líquido, como se estila, y el otro de tu boca hacia fuera de la lata o vaso. Cuando intentes absorber verás que esta tarea resulta imposible. El segundo sorbete iguala instantáneamente las presiones externa e interna de tu boca. Es algo similar a lo que sucede con el sorbete roto o perforado.

Cuanto pesa la atmósfera

Si estamos sobre el nivel del mar podemos decir también que estamos en el fondo de un océano de aire. Torricelli mediría esa presión con un experimento famoso.

Para 1643 había surgido un problema extraño e interesante. Los mineros usaban bombas para subir el agua, pero ninguna de las mismas podía elevarla más de 10 metros. ¿Por qué?.

Se creía hasta entonces que el vacío que producía una bomba hacía elevar el agua por la cañería, de la misma forma que la mayoría piensa ahora que es la fuerza de absorción de nuestros pulmones que eleva el líquido en la bombilla del mate. Pero no hay aspirador, por más potente que sea que eleve más de 10 metros el agua.

Torricelli hizo el cambio de visión del problema que lograría disipar el misterio. Propuso que no era la fuerza de la bomba ni del vacío lo que elevaba el agua, sino la presión atmosférica. Y esta presión tenía un límite, por lo que no conseguiría subir más que diez metros el nivel de agua en un tubo.

Si estaba en lo cierto tenía que probarlo. Eligió el líquido más pesado que conocemos, el Mercurio: 13,6 veces la densidad del agua. Si la presión atmosférica elevaba a casi diez metros el agua (cuya densidad es 1), al mercurio lo elevaría 1/13,5 de esa altura.

Torricelli llenó un tubo de 1,80 m de altura con mercurio, lo tapó y lo dio vuelta sobre un plato con mercurio.

Al destaparlo la columna de mercurio descendió hasta una altura de 76,2 cm, que era lo esperado según la hipótesis. Así fue que se midió por primera vez la presión que ejerce este océano de aire sobre nosotros. El valor de esa presión es de aproximadamente 1,033 Kg por centímetro cuadrado. Sólo en la palma de su mano está recibiendo una fuerza de 50 Kg. Decimos aproximadamente, porque el valor de la presión atmosférica varía hora a hora y de lugar a lugar. Para estandarizar un poco el asunto se toma un valor promedio (el que dimos más arriba) y se dice que ese es el valor de una atmósfera.

Físico y matemático italiano. Nació en Faenza en 1608. Estudió en dicha ciudad y en Roma. Viniendo de familia noble, y tomando popularidad con sus escritos de matemática, fue llamado a Roma por Galileo.

Discípulo en adelante de Galileo, lo asistió hasta la muerte, sirviéndole de guía en su ceguera, y sucediéndolo en la enseñanza en el Estudio Florentino.

Su recordada experiencia, de donde nacieran los barómetros, desechó la idea aristotélica respecto del vacío, el cual según él no podía existir. Torricelli observó que lo que quedaba por encima del nivel de mercurio en su tubo invertido no era más que vacío.

Sus trabajos fueron amplios, escribió un tratado sobre movimiento, calculó la velocidad de escape de un líquido de su recipiente, construyó lentes y anteojos de altísima calidad. Fue un precursor en el cálculo infinitesimal, escribió su Ópera Geométrica en 1644.

La densidad se define como la masa de un material dividido el volumen que ocupa.

Se establece al agua pura como unidad de medida. Todo lo que tenga una densidad mayor que 1 (uno) se hundirá en el agua, y lo que tenga densidad menor que uno (es decir cero coma...) flotará.

• Existe una magnitud similar llamada Peso Específico que no difiere esencialmente en nada con la densidad, excepto que en el Peso Específico no se usa la MASA sino el PESO del objeto, y por tanto cambiará de planeta en planeta. La densidad al usar la masa (que no incluye la gravedad) es más universal.

•No debe confundirse densidad con viscosidad. ¿Crees no confundirlos? Veamos: ¿qué es más denso, el aceite o el agua?.

El agua es más densa que el aceite, por eso el aceite flota en el agua. Habíamos dicho que cualquier cosa menos densa que el agua flotaba en ella.

El asunto es que uno confunde viscosidad (o qué tan espeso parece un fluido) con el tema de la densidad.

Para convencerse pese un litro de aceite y luego uno de agua. Verá que el litro de aceite pesa menos.

El de agua pesará exactamente un kilogramo, no por casualidad, sino que así fue definido basándose en el sistema métrico decimal y tomando al agua como referencia.

Lo que midió Torricelli es valido también para los líquidos. A líquidos y gases en general los llamaremos fluidos. En los fluidos se siente una presión proveniente de todas direcciones y que aumenta con la profundidad.

Es fácil recordarlo si traemos a la memoria el problema de las bombas de agua que trató Torricelli. La atmósfera sólo podía elevar 10 metros de agua. Por lo tanto más o menos por cada diez metros de profundidad que nos sumerjamos, la presión aumenta en 1 atmósfera.

Al sumergirse, un buzo se expone a un nuevo peligro. A elevadas presiones el nitrógeno que respira se disuelve en la sangre. Si la descompresión, es decir el ascenso, es rápido las burbujas que se generan en el torrente sanguíneo pueden causar parálisis, desde ya un intenso dolor, y hasta pueden producir la muerte. Para evitarlo el buzo debe quedarse un tiempo a profundidad intermedia para que su cuerpo renueve los gases en la sangre a una menor presión. Este procedimiento de seguridad en el ascenso lo sugirió el fisiólogo francés Paul Bert en 1878.

De todas formas, por más cuidado que se tome, el cuerpo humano no puede resistir demasiada presión, por lo que para seguir sumergiéndose requiere de aparatos presurizados, es decir con una presión interior normal.

Un vuelo seguro

Si el experimento de Torricelli medía efectivamente el peso de la atmósfera por sobre el aparato, era obvio suponer que con el ascenso habría menos aire sobre el instrumento y por ende éste debería medir menor presión. Para verificar esto, Pascal mandó a su cuñado a una montaña con dos barómetros (bromas al margen). Al llegar a una altura de un kilómetro y medio, la presión que marcaba el barómetro (vamos a llamar así al instrumento que mide presiones) era efectivamente menor. La columna de mercurio había descendido de 762 mm a 685mm.

De aquí a pensar que un barómetro era un buen instrumento para medir alturas hay un pequeño paso. Y así se hizo. Un barómetro usado de esta forma recibe el nombre de altímetro. Pero al menos en las cercanías de la superficie, cada ocho metros tenemos un descenso en la presión de 1 g/cm² . A mayor altura, la variación es menor. Teniendo en cuenta esto una diferencia de medición de 5 o 6 g/cm² representa una buena altura, diferencia sustancial entre un posible accidente aéreo o no. El problema es que el clima mismo produce esas variaciones de presión, lo que daría como resultado una lectura errónea en el altímetro con consecuencias altamente peligrosas para el avión y sus pasajeros.

Lo que se suele hacer es corregir el altímetro basados en mediciones estáticas de puntos de referencia. Actualmente las alturas de los vuelos se hacen emitiendo una señal electromagnética a tierra y recogiendo el eco. Según el tiempo de retraso se calcula automáticamente la altura con mucha precisión. El método es similar a la manera en que un sonar mide la profundidad debajo de un barco.

Con el auxilio de satélites las mediciones son cada vez mas precisas y por lo tanto seguras.

Por otro lado, se debe tener en cuenta el descenso de la presión en las alturas por las que viajan estas naves. Esa es la razón por la que las cabinas como la parte de pasajeros se presuriza, es decir se mantiene a una presión constante de valor normal. En esa circunstancia el avión tiene una presión interna mayor que la externa.

PRESION

Las fórmulas espantan, generalmente porque hay que pensar mucho y porque cuesta entenderlas. Los invitamos a hacer un pequeño esfuerzo para entender una. Es una tarea que vale la pena:

La letra P indica presión y se define como la fuerza (F) aplicada sobre una determinada superficie (S). En realidad no se trata de una ley, es solo una definición.

Si no sabés como leer una fórmula puede aprender fácilmente. Observá que si el valor de la superficie crece, la presión disminuye. Pero si el valor de la superficie decrece, la presión aumenta. Los valores de P y S se comportan como niños en los extremos de un sube y baja; cuando uno sube, el otro baja y viceversa.

Por último la presión se mide, por ejemplo, en Kg/cm². Vemos en acción esta fórmula en muchos casos en el mundo cotidiano.

Cuando usted empuja algo, la fuerza que está haciendo se distribuye en toda la superficie de contacto entre su mano y el objeto.

Cuanto más superficie de contacto haya, menor será la presión. Empujar apoyando ambas manos disminuye la presión sobre las misma y sobre el propio objeto.

Por ejemplo, si cierra el puño y prueba presionar contra una pared, sentirá mayor dolor que al empujar con la palma. Esto no es solo porque la palma es blanda y el puño expone los huesos, sino que también se debe a que el puño hace contacto en una menor superficie y concentra más la fuerza aplicada. Por esta razón los que practican las artes marciales hacen flexiones con los nudillos en lugar de usar la mano entera. El mismo peso se distribuye de maneras distintas en ambos casos; más concentrado en el puño, más disperso en la mano.

Todos los golpes duros de las artes marciales buscan disminuir la superficie de contacto para concentrar la fuerza; así se pega con el metatarso (pie), nudillos, punta de los dedos, etc.

¿Qué sucede si una dama con tacos altos quiere caminar sobre un terreno fangoso? Seguramente se hundirá, es que todo su peso se concentra en la pequeña superficie de apoyo que le brinda ese par de zapatos.

Para evitar hundirse, debe aumentar la superficie de apoyo. Recuerde que aumentando esa variable disminuye la presión (como en el sube y baja). Por esta razón tanto las raquetas (zapatos) para nieve como los esquís buscan aumentar la superficie de contacto para disminuir la presión de apoyo y así no hundirse en la nieve.

Pero a veces se persigue el fin opuesto. Pensando en los tacos altos se puede ver que unos zapatos así servirían si lo que se busca es justamente hundirse en el terreno. Es el caso de los botines de fútbol. También es el caso de los zapatos de alpinista, hechos con puntas filosas en la base que se aferran al resbaloso hielo. Esas puntas reducen al mínimo la superficie de contacto aumentando al máximo la presión. El resultado es un gran agarre en el hielo.

Cuando tomamos un tenedor, no pensamos que lo que hace que el mismo pinche es justamente la menor superficie de apoyo de sus puntas. Toda la fuerza se concentra en esos cuatro puntos. Un clavo concentra toda la fuerza del golpe dado en su cabeza sobre su punta, al igual que las tachuelas. La cabeza chata de las chinches permite hacer fuerza sobre ella y concentrarla en un solo punto, el de apoyo. El principio es similar al de los clavos, pero la amplia superficie de la cabeza permite hacer fuerza con los propio dedos sin lastimarse. En el caso de los alfileres, como están destinados para atravesar cosas blandas como tela, a lo sumo papel, la fuerza requerida no es muy grande, y alcanza una pequeña cabeza para evitar que el alfiler se clave en el dedo que empuja. El filo del cuchillo presenta el mismo principio de disminución de la superficie para aumentar la presión.

Podemos pensar en muchos otros objetos del estilo, como ser espadas, flechas, escarbadientes, arpones, el aparato bucal de los mosquitos para picar, las estacas y más.

Arados: Los arados, sean arrastrados por animales o máquinas, tienen un gran peso y una mínima superficie de apoyo en sus cuchillas porque la idea es justamente que se introduzcan en tierra para removerla.

Patines para hielo: La cuchilla de estos patines parece contradecir el principio que venimos viendo. ¿No se usan acaso zapatos afilados para agarrarse en el hielo? Es verdad, pero nos falta considerar dos pequeñas cosas.

La primera es que se trata de un filo, no de una aguja. El filo tiene libertad de moverse longitudinalmente pero no a los lados (como el caso del cuchillo), así que el agarre del patín sobre el hielo evitará que se deslice de costado. Y segundo, hay algo que decir sobre el hielo. Cuando este es presionado, se derrite momentáneamente. Disminuyendo la superficie de apoyo del patinador en solo dos cuchillas, se aumenta mucho la presión sobre el hielo, obligando al mismo que se encuentra bajo las cuchillas a derretirse un poco. Esto lo torna sumamente resbaladizo y le permite deslizarse suavemente. Cuando la cuchilla se retira del lugar el agua formada rápidamente vuelve a congelarse dado que regresa a su presión normal.

El peso de un automóvil (que es una fuerza) se distribuye en una superficie de apoyo que no es toda la rueda, sino solo la parte en contacto con el suelo. Las ruedas vienen a ser como los calzados de los automóviles.

El número elevado de ruedas en un transporte pesado busca disminuir la presión sobre el pavimento. También se puede reforzar ese efecto aumentando el tamaño de las mismas, lo que aumenta la superficie de contacto, o haciéndolas más anchas (patonas). En estos casos entran los ómnibus, camiones y vehículos todo terreno.

Si decimos que las ruedas son los zapatos de los transportes, ¿Qué clase de rueda se parecería al esquí? El esquí busca aumentar la superficie para disminuir la presión y no hundirse en la nieve. El equivalente en "ruedas" es la llamada oruga. Se trata de una cinta sinfín con numerosas y pequeñas ruedas en el interior que distribuyen el peso sobre esa cinta. Las orugas son tan útiles para transportes en la nieve como en el barro o terrenos pantanosos; hablamos de los camiones de la Antártida, de tanques de guerra o máquinas para la construcción.

Las cadenas que se agregan a los vehículos para circular en caminos helados, no mejoran el asunto de la presión pero sí el del agarre. Equivaldría a hablar de zapatos de alpinista.

¿Existe algún transporte que busque minimizar el apoyo para ejercer una fuerte presión sobre la base? Parecería ridículo que exista algo así pues se hundiría y no podría avanzar.

Si juntamos dos metales, estos deslizarán entre sí. Pero si entre ambos la presión se hace muy fuerte, habrá adherencia, y la misma es la base de cualquier transporte, por ejemplo entre la goma y el asfalto. Una rueda que no se adhiera al camino no serviría como transporte. Pero para construir algo así debería haber carreteras cubiertas de metal, los vehículos tendrían ruedas metálicas y deberían pesar mucho para lograr la adherencia rueda carretera.

Aunque toda la materia posee masa y volumen, la misma masa de sustancias diferentes tienden a ocupar distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá:

La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Así, como en el S.I. la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen en metros cúbicos (m³) la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico (kg/m³). Esta unidad de medida, sin embargo, es muy poco usada, ya que es demasiado pequeña. Para el agua, por ejemplo, como un kilogramo ocupa un volumen de un litro, es decir, de 0,001 m³, la densidad será de:

La mayoría de las sustancias tienen densidades similares a las del agua por lo que, de usar esta unidad, se estarían usando siempre números muy grandes. Para evitarlo, se suele emplear otra unidad de medida el gramo por centímetro cúbico (gr./c.c.), de esta forma la densidad del agua será:

Las medidas de la densidad quedan, en su mayor parte, ahora mucho más pequeñas y fáciles de usar. Además, para pasar de una unidad a otra basta con multiplicar o dividir por mil.

Sustancia	Densidad en kg/m³	Densidad en g/c.c.
Agua	1000	1
Aceite	920	0,92
Gasolina	680	0,68
Plomo	11300	11,3
Acero	7800	7,8
Mercurio	13600	13,6
Madera	900	0,9
Aire	1,3	0,0013
Butano	2,6	0,026
Dióxido de carbono	1,8	0,018

La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella, porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que la densidad de la madera es menor, pero ambas sustancias se hundirán en la gasolina, de densidad más baja.

Densidad: La densidad es una característica de cada sustancia. Nos vamos a referir a líquidos y sólidos homogéneos. Su densidad, prácticamente, no cambia con la presión y la temperatura; mientras que los gases son muy sensibles a las variaciones de estas magnitudes.

PROPIEDADES	MKS	TÉCNICO	CGS	INGLÉS


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