Principios Fundamentales de la Estática de Fluidos y sus Aplicaciones Prácticas

Aplicaciones de la Estática de Fluidos

1. Barómetro de Mercurio (Experimento de Torricelli)

Los aparatos que miden la presión atmosférica se denominan barómetros. En 1643, E. Torricelli realizó el primer experimento que demostró la existencia de la presión atmosférica. Este consistía en un tubo cerrado, relativamente largo, colocado boca abajo y lleno de mercurio sobre un recipiente que contenía el mismo fluido. El tubo no se vacía completamente, sino que el mercurio solo desciende un poco. En la parte superior del tubo se genera un hueco, que podemos considerar prácticamente vacío (P ≈ 0). La presión en dos puntos situados a la misma altura dentro del fluido es la misma (P₁ = P₂). Por lo tanto, la altura h que adquiere el fluido dentro del tubo será aquella que equilibre la presión atmosférica: ρgh = Patm (donde ρ es la densidad del mercurio y g la aceleración de la gravedad).

2. Vasos Comunicantes

En una serie de tubos comunicados, como los de la Figura 4 (no incluida), sean cuales sean sus secciones o formas, si todos ellos contienen el mismo fluido y se encuentran abiertos por su parte superior, el fluido adquirirá la misma altura en todos ellos. Esto se debe a que la presión en el fondo de todos los tubos, al estar a la misma profundidad respecto a una superficie libre común, debe ser la misma.

3. Principio de Arquímedes

En un fluido en equilibrio, consideremos un elemento de fluido con una forma cualquiera. Denominemos V a su volumen y S a la superficie que lo limita. La suma de las fuerzas que actúan sobre dicho elemento debe ser nula para que esté en equilibrio. Es decir, el peso del fluido encerrado en S debe estar compensado por las fuerzas de presión que ejerce el fluido circundante sobre toda su superficie (paredes). Esta fuerza resultante de la presión es el empuje E, y es igual al peso P del fluido desalojado: E = P.

Si ahora sustituimos el fluido encerrado en S por un cuerpo sólido cuya superficie exterior sea exactamente la misma, la resultante de las fuerzas de presión ejercida por el fluido circundante sobre sus paredes no debe cambiar (E). Esta fuerza resultante se denomina empuje de flotación o empuje de Arquímedes.

Podemos enunciar el Principio de Arquímedes del siguiente modo: Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido en reposo experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja.

Dependiendo de la relación entre el peso del cuerpo (P') y el empuje (E), puede ocurrir:

1. P' > E: El peso del cuerpo es mayor que el empuje. El cuerpo se hunde y desciende hasta el fondo del recipiente.
2. P' = E: El peso del cuerpo es igual al empuje. El cuerpo flota totalmente sumergido (equilibrio indiferente dentro del fluido).
3. P' < E: El peso del cuerpo es menor que el empuje máximo (cuando está totalmente sumergido). El cuerpo asciende hasta la superficie y emerge parcialmente, flotando en equilibrio cuando el peso del fluido desalojado por la parte sumergida iguala al peso del cuerpo.

4. Principio de Pascal

De la ecuación fundamental de la hidrostática (P = P0 + ρgh) se deduce también que la diferencia de presión entre dos puntos cualesquiera de un mismo fluido incompresible en reposo depende únicamente de la diferencia de altura entre ellos: P1 - P2 = ρg(z2 - z1). Así, si aumentamos la presión en un determinado punto del fluido, este aumento se transmite íntegramente a todos los demás puntos del fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene: ΔP1 = ΔP2.

Este principio, conocido como Principio de Pascal, fundamenta múltiples aplicaciones técnicas hidráulicas y neumáticas, como:

• El gato hidráulico
• Los martillos neumáticos
• Los sistemas de frenos hidráulicos de los coches
• Los mandos hidráulicos en aviones y maquinaria pesada