Estados de la materia y propiedades de los fluidos

La materia existe en diferentes estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Los líquidos y gases tienen propiedades comunes, tales como su capacidad de fluir y de adoptar la forma de los recipientes que los contienen, por lo que se les denomina fluidos.

• Líquidos: Son prácticamente incompresibles, por lo que podemos considerar que su volumen no se modifica.
• Gases: Se expanden y comprimen con facilidad.

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de equilibrio, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Aunque los fluidos obedecen a las mismas leyes físicas que los sólidos, la facilidad con la que cambian de forma obliga a estudiar pequeñas porciones en lugar de todo el fluido. Por eso, se reemplazan las magnitudes extensivas por magnitudes intensivas: la masa se reemplaza por la densidad y el peso por el peso específico.

Densidad y Peso Específico

Densidad (δ): Es el cociente entre la masa de un cuerpo y su volumen (δ =
). Es una constante que depende del material (unidad: kg/dm³). El valor de referencia es la densidad del agua: 1 kg/dm³.

La masa es una constante del cuerpo (cantidad de materia), mientras que el peso es la fuerza con la que la Tierra atrae a los cuerpos (P = m · g). El peso no es constante, pues depende del lugar (g = aceleración de la gravedad).

Peso específico (Pe): Es el peso por unidad de volumen. Es el cociente entre el peso de un cuerpo y su volumen.

Pe =
=
= δ · g

Esto explica por qué dos cuerpos de la misma forma y medidas, pero de distinta sustancia, no pesan lo mismo, o por qué cuerpos que pesan lo mismo no ocupan el mismo volumen. Unidades: [Pe] = N/m³; kgf/dm³.

Presión

Es una magnitud escalar definida como la cantidad de fuerza que se realiza en cada unidad de superficie. La presión “Pr” que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene es siempre perpendicular a dicha superficie.

Pr =
=
(F = Fuerza, S = Superficie). Unidades: [P] = N/m² (Pa); kgf/m². (1 hPa = 100 Pa).

Presión Atmosférica

Rodeando al planeta Tierra existe una capa de aire (mezcla de gases) de aproximadamente 500 km de espesor, conocida como atmósfera. Este aire ejerce una presión sobre la superficie terrestre denominada presión atmosférica (P₀).

La densidad del aire varía: en las zonas cercanas a la superficie es mayor. A medida que la altura aumenta, la densidad disminuye. El aire está compuesto por: Nitrógeno (78%), Oxígeno (20,9%), Gases nobles (1%) y Anhídrido carbónico (0,03%).

Experiencia de Torricelli

El físico Evangelista Torricelli logró medir la presión atmosférica por primera vez utilizando un tubo de vidrio de 1 m lleno de mercurio (Hg) invertido en una cubeta. Observó que el mercurio descendía hasta una altura de 76 cm. La columna no bajaba más porque la presión atmosférica equilibraba la presión de dicha columna.

Equivalencias: 76 cm = 760 mmHg = 1 atm = 101300 Pa.

Presión en masas líquidas

La presión hidrostática depende de la columna de líquido sobre un punto. A mayor profundidad, mayor presión. Se expresa como: Pr = h · Pe.

Teorema general de la hidrostática

En un líquido en equilibrio, la diferencia de presión entre dos puntos es igual al producto del peso específico del líquido por la diferencia de nivel (h):

Pr_b – Pr_a = δ · g · h = Pe · h

Nota: Dos puntos al mismo nivel en el mismo fluido tienen la misma presión.

Vasos comunicantes

Son recipientes conectados donde el líquido alcanza el mismo nivel en todos ellos, independientemente de su forma o volumen, debido a que la presión atmosférica y la gravedad son constantes.

Principio de Pascal y Prensa Hidráulica

Blaise Pascal demostró que la presión ejercida sobre la superficie libre de un líquido se transmite íntegramente y con la misma intensidad en todas las direcciones.

Prensa Hidráulica: Mecanismo que permite obtener fuerzas grandes aplicando fuerzas pequeñas mediante pistones de diferentes áreas.

P₁ =
; P₂ =

Como P₁ = P₂, entonces
=
. La fuerza resultante es: F₂ =
.

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un líquido en reposo experimenta un empuje vertical de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del líquido desalojado.

E = Pe · V_CS (E = Empuje, V_CS = Volumen del cuerpo sumergido).

Peso Aparente (P_A): P_A = P – E.

• Si E < P: El cuerpo se hunde.
• Si E = P: El objeto flota en el seno del líquido.
• Si E > P: El cuerpo flota en la superficie.