Conceptos Fundamentales de la Materia y Fluidos: Propiedades y Principios Físicos

Propiedades Generales de la Materia

Las propiedades que presentan todos los cuerpos sin distinción reciben el nombre de propiedades generales. Por tal motivo, no nos permiten diferenciar una sustancia de otra, ya que son comunes a toda la materia.

Propiedades Extensivas de la Materia

Su valor depende de la cantidad de materia presente. Ejemplos incluyen:

• Masa
• Peso
• Volumen
• Longitud
• Área
• Energía

Nota: Las propiedades extensivas, por sí solas, no permiten identificar una sustancia de otra.

Propiedades Intensivas de la Materia

Su valor es independiente de la cantidad de materia. Estas propiedades son características y sí permiten identificar una sustancia de otra. Ejemplos notables son:

• Densidad
• Punto de Fusión
• Punto de Ebullición
• Temperatura
• Presión
• Concentración
• Viscosidad

Densidad (ρ)

La densidad (ρ) se define como el cociente que resulta de dividir la masa (m) de una sustancia entre el volumen (V) que ocupa.

Su fórmula es:

ρ = m/V

Peso Específico (γ)

El peso específico (γ) se determina dividiendo el peso (P) de una sustancia entre el volumen (V) que ocupa.

Sus fórmulas son:

• γ = P/V (donde P es el peso)
• γ = ρ × g (donde ρ es la densidad y g es la aceleración de la gravedad)

Fórmulas Derivadas y Relaciones Clave

A partir de las definiciones anteriores, podemos derivar otras fórmulas útiles:

• Para calcular la masa (m) a partir de la densidad y el volumen: m = ρ × V
• Para calcular el peso (P) a partir de la masa y la gravedad: P = m × g
• Para calcular la densidad (ρ) a partir del peso específico y la gravedad: ρ = γ / g
• Para calcular el volumen (V) a partir del peso y el peso específico: V = P / γ

Introducción a la Mecánica de Fluidos (Hidráulica)

La hidráulica es la rama de la física que estudia la mecánica de los fluidos, analizando las leyes que rigen el comportamiento de los líquidos, tanto en reposo como en movimiento.

Ramas de la Hidráulica:

• Hidrostática: Se encarga de estudiar todo lo relacionado con los líquidos en reposo.
• Hidrodinámica: Estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento.

Presión (P)

La presión (P) indica la relación entre una fuerza (F) aplicada y el área (A) sobre la que actúa.

La fórmula para calcular la presión es:

P = F/A

Presión Hidrostática (P_h)

La presión hidrostática (P_h) es aquella que un líquido ejerce sobre el fondo y las paredes del recipiente que lo contiene, debido a su peso.

Sus fórmulas principales son:

• Ph = γ × h (donde γ es el peso específico y h es la altura de la columna de líquido)
• Ph = ρ × g × h (donde ρ es la densidad, g es la aceleración de la gravedad y h es la altura)

De estas, se pueden derivar otras relaciones:

• Para calcular el peso específico (γ): γ = ρ × g
• Para calcular la altura (h) de la columna de líquido: h = Ph / (ρ × g)

Principio de Pascal

Sabemos que un líquido produce una presión hidrostática debido a su peso; sin embargo, si el líquido se encierra herméticamente dentro de un recipiente, puede aplicarse una presión externa que se transmitirá íntegramente y sin disminución a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo contiene.

Fórmulas del Principio de Pascal:

Este principio se expresa comúnmente como la igualdad de presiones en dos puntos de un sistema hidráulico:

F₁/A₁ = F₂/A₂

Donde:

• F₁ y F₂ son las fuerzas aplicadas en los émbolos.
• A₁ y A₂ son las áreas de los émbolos correspondientes.

De esta relación, se pueden derivar fórmulas para calcular áreas o fuerzas desconocidas:

• Para calcular el área del émbolo menor (A₂): A₂ = (A₁ × F₂) / F₁
• Para calcular el área del émbolo mayor (A₁): A₁ = (F₁ × A₂) / F₂

Principio de Arquímedes

Cuando un cuerpo se sumerge, total o parcialmente, en un líquido, se observa que se ejerce sobre él una fuerza vertical ascendente. Esta fuerza se conoce como empuje (E) y es igual al peso del volumen de líquido desalojado por el cuerpo.

Fórmulas del Principio de Arquímedes:

La magnitud del empuje se calcula con la siguiente fórmula:

E = γ × Vdesalojado

Donde:

• E es el empuje.
• γ es el peso específico del líquido.
• Vdesalojado es el volumen del líquido desalojado (igual al volumen de la parte sumergida del cuerpo).

También puede expresarse en términos de densidad:

E = ρlíquido × g × Vdesalojado

De esta relación, se pueden derivar otras fórmulas:

• Para calcular el peso específico del líquido (γ): γ = E / Vdesalojado
• Para calcular el volumen del líquido desalojado (V_desalojado): Vdesalojado = E / γ