Mecánica de Fluidos: Presión, Hidrostática y Principio de Pascal
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Los Fluidos: Conceptos Básicos
Clasificación de Fluidos
- Líquidos
- Gases compresibles: cambian su volumen sin cambiar su masa.
Comportamiento General de los Fluidos
Lo que flota, lo que vuela y lo que se hunde.
Fuerza y Presión
La fuerza es una magnitud vectorial que representa la acción sobre un cuerpo.
La presión es una magnitud escalar y se define como la fuerza que actúa sobre un cuerpo por unidad de superficie.
Así, por ejemplo, la presión atmosférica es la fuerza que ejerce el aire que nos rodea sobre la superficie terrestre.
La presión se expresa mediante la fórmula:
P = F/S
Equivalencias y Unidades de Presión
- 1 kgf/m² = 9,8 N/m²
- 1 kgf/m² = 9,8 Pa
Presión Hidrostática
La presión hidrostática depende de la columna de líquido que hay por encima. A mayor profundidad, mayor presión soporta el cuerpo sumergido.
A medida que se profundiza en el agua, la presión aumenta debido a que la columna de agua es mayor. Por el contrario, a mayor altura, la presión será menor.
Podemos representarla en un esquema, donde la presión hidrostática sobre un punto en el fondo de la columna de líquido es:
P = h ⋅ Pespecífico
Teorema General de la Hidrostática
Una diferencia de presión entre dos puntos de una masa líquida en equilibrio es igual al producto del peso específico del líquido por la diferencia de nivel entre ambos puntos.
Pa - Pb = Pespecífico ⋅ (ha - hb)
Principio de Pascal y Aplicaciones Hidráulicas
La presión ejercida sobre la superficie libre de un líquido en equilibrio se transmite íntegramente y en todas las direcciones a todos los puntos de la masa líquida.
La presión es constante en todas las paredes del recipiente.
Es decir, la presión es la misma en todo el sistema:
F1/S1 = F2/S2
Gracias a este principio de los fluidos, podemos, por ejemplo, levantar grandes toneladas de masa con un gato hidráulico sin aplicar una fuerza extrema, ya que esta se multiplica.
Ejemplos de Aplicación del Principio de Pascal
- Sistemas hidráulicos de máquinas viales
- Crique hidráulico (gato)
- Sistemas hidráulicos de máquinas agrícolas
- Prensa hidráulica
- Ascensores hidráulicos
- Sistemas de control de aviones
La Prensa Hidráulica
La fórmula fundamental de la prensa hidráulica es:
F1/S1 = F2/S2
De esta fórmula se pueden derivar las siguientes relaciones:
- F1 = (S1/S2) ⋅ F2
- F2 = (S2/S1) ⋅ F1
- S1 = (F1/F2) ⋅ S2
- S2 = (F2/F1) ⋅ S1
Fórmulas Adicionales y Equivalencias
Fórmulas Generales
- Presión: P = F/S
- Volumen: V = S ⋅ H (donde S es área y H es altura/profundidad)
- Peso: Peso = V ⋅ pe (donde pe es peso específico)
- Presión hidrostática: Pf = S ⋅ h ⋅ pe / S = h ⋅ pe
- Presión absoluta: P = Patm + h ⋅ pe
- Área de un círculo: S = π ⋅ r² (La notación original 'pi . r2 . 4' es ambigua; se ha interpretado como el área de un círculo, la forma más común para 'S' como superficie.)
- Peso específico: pe = P / V
Otras Equivalencias
- 1 tonelada = 1000 kilogramos
- 1 hectopascal (hPa) = 100 pascales (Pa)