Fluidos, presión y energía mecánica: conceptos clave de hidrostática e hidrodinámica

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Fluidos

Fluidos: ofrecen poca resistencia a los cambios de forma bajo presión. (líquidos, gases). Su diferencia principal es la distancia entre sus moléculas.

Estados

  • I. Estado de equilibrio o reposo: hidrostática — fundador: Arquímedes.
  • II. Estado de movimiento: hidrodinámica.

Definiciones

Estado → es una combinación de las magnitudes: presión, volumen y temperatura.

Presión → es una magnitud física que mide la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie.

  • Unidad: fuerza/área [N/m2] = Pa (pascal, presión).
  • Fuerza = masa × 10 m/s2 (a efectos prácticos en muchos ejercicios se toma g ≈ 10 m/s2).

Nota: en los fluidos, la presión se ejerce en dirección perpendicular a las superficies que los contienen.

Densidad y volumen

  • Densidad = ρ = m / V. Ejemplo: 1 g/cm3 = 103 kg/m3.
  • 1 L = 1 000 cm3; 1 L de agua ≈ 1 kg (a 4 °C).

Presión atmosférica

La atmósfera tiene peso, por lo que ejerce una presión sobre los cuerpos. A mayor altitud, menor presión; en las montañas hay menor presión y al nivel del mar la presión es mayor (en general se consideran variaciones según la altitud).

Torricelli comprobó que la columna de mercurio en un barómetro alcanzaba una altura que equilibraba el peso de la columna de aire; así, el valor de la presión atmosférica estándar equivale a la presión ejercida por una columna de mercurio de 76 cm de altura, es decir, ≈ 76 cm Hg.

Ecuación fundamental de la hidrostática

P = Pa + ρ g h

  • P: presión a una determinada profundidad en el fluido.
  • Pa: presión atmosférica o presión en la superficie libre.
  • ρ: densidad del fluido.
  • g: aceleración de la gravedad (aprox. 10 m/s2 en muchos ejercicios).
  • h: profundidad.

Cálculo de la presión en el interior de un fluido

Relaciones de equilibrio de fuerzas:

  • p = F / A → p × A = F.
  • F1 = P1 × A, F2 = P2 × A.
  • F2 = F1 + peso (conducción del equilibrio).

Momento de inercia

El momento de inercia es la propiedad de un objeto de resistirse a cambios en su estado de movimiento rotacional. Cuanto más alejadas estén las masas respecto al eje de rotación, mayor será el momento de inercia; si tiene mayor momento de inercia, es más difícil rotar el objeto.

Trabajo y energía

Trabajo: W = F × D. Unidad: joule (J) = newton (N) × metro (m). Recordando que 1 N = 1 kg·m/s2.

Potencia mecánica

P = W / t. 1 watt (W) = 1 joule / 1 segundo.

Energía cinética

Ec = 1/2 m v2.

Si la fuerza neta va en la misma dirección del movimiento, la energía cinética aumenta. Si la fuerza neta va en la dirección contraria al movimiento, la energía cinética disminuye.

Energía potencial

Ep = m g h. Se mide en joules; es directamente proporcional a la altura h.