Fundamentos de la Estática de Fluidos: Presión, Pascal y Arquímedes
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Presión y Efecto Deformador
La magnitud que mide el efecto deformador de una fuerza sobre un sólido se denomina presión. La presión ejercida por una fuerza sobre una superficie es igual al cociente entre la intensidad de la fuerza y la superficie.
La unidad de presión del Sistema Internacional (SI) es el Pascal (Pa). Dado que un pascal es una unidad muy pequeña, se utilizan múltiplos como el bar o el milibar.
El Principio de Pascal
Cuando se ejerce un incremento de presión en algún punto de un líquido en equilibrio (es decir, una presión extra a la que genera el propio fluido debido a su peso), se aplica el Principio de Pascal.
Este principio establece que la presión ejercida en un punto de un líquido se transmite con la misma intensidad en todas las direcciones.
El Experimento de Torricelli y la Presión Atmosférica
El físico italiano E. Torricelli llevó a cabo la siguiente experiencia: llenó de mercurio un tubo de vidrio cerrado por un extremo y lo introdujo boca abajo en una cubeta de mercurio. El mercurio del tubo descendió algunos centímetros, pero se mantuvo en equilibrio.
La presión ejercida por esta columna de líquido está equilibrada por la presión ejercida por el aire (presión atmosférica).
El Principio de Arquímedes
El científico griego Arquímedes descubrió en el siglo III a.C. que el valor de la fuerza de empuje sobre un cuerpo sumergido en un líquido es igual al peso del líquido desplazado por el cuerpo.
La fuerza de empuje es la resultante de las dos fuerzas que ejerce el líquido sobre las caras superior e inferior del cuerpo sumergido.
Definición Formal
El Principio de Arquímedes establece que:
Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje igual al peso del volumen del fluido que desplaza.
Equilibrio de Sólidos y Fluidos
El comportamiento de un cuerpo sumergido depende de la relación entre su peso ($P$) y la fuerza de empuje ($E$):
- Si el peso ($P$) es mayor que el empuje ($E$), el cuerpo se hunde.
- Si el peso ($P$) es igual al empuje ($E$), el cuerpo está en equilibrio (flotando entre dos aguas).
- Si el peso ($P$) es menor que el empuje ($E$), el cuerpo asciende a flote.
Principio Fundamental de la Estática de Fluidos
La experiencia muestra que un líquido ejerce presión sobre el fondo y las paredes del recipiente que lo contiene. En general, un fluido ejerce presión sobre cualquier cuerpo sumergido en él (por ejemplo, los submarinistas).
Si consideramos un líquido en un cilindro que se encuentra en reposo, este estará en equilibrio. La fuerza que ejerce el peso del líquido sobre la base inferior del cilindro se compensa con otra fuerza de igual intensidad, pero dirigida hacia arriba, ejercida por el líquido que se encuentra bajo el cilindro.