LOS FLUIDOS
En este tema comprenderás que un fluido se presenta cuando la fuerza de atracción que existe entre dos sustancias es débil. Las formas de presentación son líquidas y gaseosas, y la primera de estas es más viscosa.
Los fluidos tienen fuerzas cohesivas que mantienen unidas a las moléculas entre sí y también con el recipiente que lo contiene. Arquímedes de Siracusa fue uno de los grandes pensadores, físicos y matemáticos de Grecia de 287 a.C.
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Proporcionó aportes fundamentales a la ciencia, dentro de los cuales se destacan la hidrostática y el principio de Arquímedes.
Definición de fluido
Los gases y los líquidos son fluidos. Para entender de forma práctica este concepto puedes ubicar dos placas paralelas separadas por una capa muy delgada de agua y aplicar una fuerza tangente sobre la placa superior, llamada fuerza cortante; te darás cuenta de que la placa superior se desplaza gracias a que el agua fluye entre las placas.
Toda sustancia que fluye cuando se le aplica una fuerza cortante se denomina fluido y se caracteriza por tener las siguientes propiedades: Propiedades de los fluidos, viscosidad, compresibilidad, tensión superficial, capilaridad, memoria de forma
Viscosidad
Es la resistencia a fluir; se denomina fluido ideal aquel que no tiene viscosidad. El aceite de cocina, la brea y la miel son fluidos viscosos, a diferencia del agua, el vinagre y la leche.
En el caso de los líquidos, la viscosidad puede disminuirse al aumentar su temperatura.
Las moléculas se encuentran unidas por fuerzas de cohesión; y se encuentra sobre todo en el estado líquido una fuerza mayor que en el estado gaseoso, por lo que al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas y disminuye la atracción entre partículas o su viscosidad.
En el caso del gas, al aumentar la energía cinética de las moléculas cuando sube la temperatura estas se intercambian entre sí y aumenta la atracción entre ellas, por lo que la viscosidad es mayor.
La viscosidad se puede entender como la resistencia de un fluido a ser cortado al ejercer una fuerza sobre él.
Cuando un fluido se desplaza por una superficie, este ejerce una fuerza sobre el cuerpo en la dirección del flujo, conocida como fuerza de arrastre.
Compresibilidad
En 1660, el físico químico Robert Boyle, luego de una serie de experimentaciones, explicó que los gases tenían la propiedad de ser comprimidos cuando estaban contenidos en un recipiente, lo que disminuía su volumen.
En esta época se plantea por primera vez la ley que dice que el volumen de un gas varía inversamente con la presión de este, siempre y cuando la temperatura se mantenga constante.
La compresibilidad es la capacidad de un fluido de reducir su volumen ante la acción de una fuerza externa.
Los líquidos reducen muy poco su volumen y se consideran fluidos incompresibles; a diferencia de los gases y de los vapores, que son altamente compresibles bajo condiciones de presión y temperatura normales, debido a la distancia que hay entre sus moléculas.
En los gases las moléculas se encuentran muy distantes entre sí y tardan más en chocar contra las paredes, lo que disminuye la presión; sin embargo, cuando se ejerce presión y se comprime el gas las moléculas se encuentran más unidas entre sí y la presión aumenta.
Tensión superficial
En los líquidos las moléculas de agua se atraen entre sí por la fuerza de cohesión, una fuerza intermolecular que las mantiene fuertemente unidas especialmente en la capa superficial del agua, donde no tiene otras moléculas alrededor.
Este fenómeno se conoce como tensión superficial y hace más difícil mover un objeto por la superficie del agua que cuando está sumergido.
Si colocas una aguja sobre la superficie de un vaso lleno de agua, esta será sostenida por una capa tensa. Las moléculas de la superficie son atraídas por las moléculas bajo la superficie de la aguja y por las moléculas vecinas, y el resultado de esa interacción es la tensión superficial.
De tal modo, la superficie del fluido se comporta similar a un plástico tenso que se comba ante pequeñas fuerzas, por ejemplo, el peso de un insecto.
La formación de gotas en los fluidos es resultado de la tensión superficial. El agua caliente, los jabones y detergentes disminuyen la tensión superficial, lo que facilita el mojado y los convierte en agentes de limpieza.
Al aumentar la temperatura del agua se agitan las moléculas y se disminuye la fuerza de cohesión entre moléculas, disminuyendo la tensión superficial.
Capilaridad
En un fluido existen fuerzas de cohesión; estas son las fuerzas de atracción entre moléculas del mismo fluido y las de adherencia, que son las fuerzas de atracción entre las moléculas de un fluido y un sólido.
Si el extremo de un tubo delgado de vidrio se sumerge en agua, esta ascenderá a través del tubo hasta cierto nivel gracias a la capilaridad, debido a que las fuerzas de adherencia son mayores que las fuerzas de cohesión y las moléculas de agua se ‘pegan’ sobre la superficie de vidrio.
Un líquido moja un sólido si la adhesión es mayor que la cohesión, y no lo hace cuando la cohesión es mayor que la adhesión, como sucede con el mercurio.
En las plantas el agua asciende por capilaridad desde las raíces hacia la parte superior sin gastar energía y en contra de la gravedad.
Mientras más delgado sea el diámetro del tubo mayor es la presión y la altura de la columna será mayor.
Memoria de forma
Un fluido puede ser un líquido, un gas o un vapor. Aunque existen varias similitudes entre los gases y los líquidos, también tienen importantes diferencias, principalmente en cuanto a la cohesión molecular; en los líquidos es mayor comparada con la de los gases, que es casi nula.
Los líquidos y los gases carecen de memoria de forma, que es la capacidad de volver a su forma inicial; por tal razón, adoptan la forma del recipiente que los contiene.
Un gas ocupará todo el volumen del recipiente; sin embargo, es compresible debido a que existe una distancia de separación considerable entre sus moléculas, de modo que al aplicarle una fuerza es posible reducir su volumen; en un líquido esto no es posible.
La densidad
Antes de entrar a la definición de densidad te contaremos un resumen sobre la historia de Arquímedes y el rey Hierón II. En el siglo III a.C., Hierón II, rey de Siracusa, mandó a hacer una corona con un lingote de oro puro.
Cuando el orfebre había terminado la corona el rey se preguntó: ¿Estará todo el lingote de oro en la corona o estaré siendo engañado? El rey llamó a Arquímedes, un pensador y matemático de la época para que le resolviera el problema sin destruir la corona.
Un día el pensador estaba tomando un baño y observó que al sumergirse se desplazaba agua equivalente a su volumen; entonces, pensó que si hundía en agua la corona del rey sucedería algo similar.
En ese momento se dio un gran descubrimiento: “Sabiendo el volumen y el peso, Arquímedes podría determinar la densidad del material que componía la corona.
Si esta densidad era menor que la del oro, se habrían añadido materiales de peor calidad” (Recuerdos de Pandora). Arquímedes midió el volumen de la plata y del oro, hizo cálculos y comprobó que la corona tenía plata y oro, y que se estaba engañando al rey.
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Esta historia aparece dos siglos después de la muerte de Arquímedes en unos libros de Vitrubio y se desconoce su veracidad; sin embargo, el principio de Arquímedes no se discute.
La densidad de una sustancia es la cantidad de masa (m) que hay por unidad de volumen (V). La masa y el volumen se describen como propiedades generales de la materia. Recordamos que masa (m) es la cantidad de materia que tiene un cuerpo y volumen es el espacio que ocupa el cuerpo (V).
La densidad es una cantidad escalar, solo posee magnitud. Su unidad de medida más utilizada es el kg/m3 o g/cm3.
La densidad indica qué tan compacto es un material. Piensa en que puedes dividir la sustancia en pequeños cubos y contar las moléculas que hay en su interior, cuantas más moléculas hay en el cubo, más denso es el material.
Así, un bloque de hierro de 10 cm3 de volumen es más denso que un bloque de hielo del mismo volumen.
La densidad del agua es de 1 g/cm3 cuando las condiciones son: presión 1 Atm. y temperatura 4 °C
La densidad del agua es muy estable ya que sufre muy poca variación con cambios de presión y temperatura. Además, es muy usada como patrón de densidades y volúmenes de otras sustancias y/o compuestos.
La presión
Es una fuerza (F) aplicada sobre un área (A); es una cantidad escalar, pues solo tiene magnitud. La unidad de fuerza es el newton (N) y la unidad de área es el centro cuadrado (m2) por lo que la unidad de presión seria newton por metro cuadrado (N/m2) lo que se reconoce como pascal Pa (psi en el sistema ingles)
Una fuerza solo ejerce presión sobre un área si es perpendicular a su superficie. La presión es proporcional a la fuerza e inversamente proporcional al área.
Así, una mujer que usa zapatos planos disminuye el peso de su cuerpo sobre el área de contacto de la suela de sus zapatos y ejerce una presión menor que la que utiliza tacones, ya que en estos el área de la suela se reduce.
La presión hidrostática
Un fluido contenido en un recipiente ejerce fuerzas contra las paredes y sobre cualquier objeto que se introduce dentro de él. Esta presión es la única que aparece cuando un fluido está en reposo, y es una fuerza perpendicular sobre las paredes relacionadas con el peso del fluido.
Cuando nadas bajo el agua sientes presión en los tímpanos de los oídos, y si nadas más profundo la presión aumenta, pues cuanto más te sumerges debes soportar el peso de una mayor cantidad de líquido sobre ti.
La presión en un fluido depende, además, de su densidad: cuanto más denso es el fluido mayor es la presión.
La relación entre la presión hidrostática y la profundidad
En las profundidades del océano existen animales que deben soportar variaciones de presión. Un pez puede nadar hábilmente, aunque debe soportar la presión del fluido en ese punto. El peso de la columna de agua sobre el pez es la fuerza que se ejerce perpendicular al área del pez y se puede escribir así:
La masa de la columna de agua se puede expresar en términos de su densidad por medio de la expresión, densidad= masa / volumen, de donde se tiene que:
Al reemplazar en la ecuación:
La presión del fluido en el punto donde se encuentra el pez es:
La presión de un fluido en el punto donde se encuentra cualquier objeto sumergido en él es:
A partir de esta expresión se puede concluir que la presión del fluido depende únicamente de la profundidad y de su densidad. De manera que si se reemplaza el pez por un submarino, los dos cuerpos soportarán la misma presión. Para un mismo fluido, la presión depende únicamente de la profundidad porque su densidad es constante.
La presión atmosférica
El aire es un fluido que resulta de la mezcla de nitrógeno, oxígeno y vapor de agua. Todas las cosas que te rodean están inmersas en una capa de aire conocida como atmósfera.
La superficie terrestre experimenta una presión debida al peso de la columna del aire sobre la periferia con una altura de la atmósfera, por lo que se conoce como presión atmosférica; su valor promedio es de 1 atm, que equivale a 101 235 Pa o a 760 mmHg.
La medición de la presión atmosférica
La presión atmosférica fue medida por el físico y matemático italiano Evangelista Torricelli (1608-1647), quien utilizó un tubo de vidrio lleno de mercurio y luego lo volteó boca abajo en un recipiente con el mismo fluido, y observó que el mercurio del tubo descendió hasta alcanzar una longitud de 76 cm.
Torricelli explicó que el mercurio no desciende más debido a que la presión que ejerce la columna de mercurio se equilibra con la presión de la atmósfera, de lo cual pudo concluir que la presión atmosférica es equivalente a la presión que ejerce una columna de mercurio de 76 cm.
En honor a su aporte se estableció una unidad de medida de la presión con su nombre que se simboliza Torr (1 Torr = 1 mm Hg = 133,32 Pa).
El primer instrumento desarrollado para medir la presión atmosférica fue el barómetro, que ha sido modificado a través del tiempo para proporcionar una medición más exacta de la presión.
La presión atmosférica tiene una relación directa con la meteorología, debido a que a medida de que aumenta la altitud la densidad del aire disminuye, por lo tanto, la presión atmosférica también decrece.
La presión atmosférica disminuye 1 mmHg o Torr por cada 10 msnm, pero se deben tomar en cuenta otras condiciones como la temperatura y la latitud para estas consideraciones.
Las máquinas hidráulicas
La aplicación de los principios de la mecánica de fluidos ha permitido desarrollar dispositivos que emplean para su funcionamiento las propiedades de los fluidos. Estos dispositivos son las máquinas hidráulicas.
Si la máquina transforma la energía del movimiento del fluido en energía útil, se dice que es una máquina motora; mientras que si la máquina le transfiere energía al fluido se llama máquina generadora. Estas máquinas trabajan con fluidos incompresibles como el agua.
Entre las máquinas hidráulicas más comunes se encuentra la bomba centrífuga y la turbina hidráulica.