Fluidos

1. Fluidos Física Grado 11° Docente: Robinson Usma

2. A través de la historia el hombre ha tratado de aprovechar los recursos que le ha dado la naturaleza para vivir mejor. Algunos ejemplos de esto son: • El uso de las corrientes de agua para transportar cargas y personas. • El uso de la energía eólica e hidráulica para generar energía eléctrica. • El uso de la energía que el viento produce sobre el aspa de un molino para extraer agua del subsuelo. Algunos ejemplos de fluidos. • El agua que consumimos. • La sangre que circula por nuestras venas. • El aire que respiramos día a día.

3. CONTENIDO • Características de los fluidos • Densidad • Presión • Variación de la presión en un fluido en reposo • Principio de Pascal • Flotabilidad y principio de Arquímedes • Fluidos en movimiento • La ecuación de continuidad • Ecuación de Bernoulli • Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli • Movimiento de un fluido con velocidad constante • Flujo de salida de un tanque • Flujo sanguíneo • Viscosidad

4. ESTADOS DE LA MATERIA Plasma Coloides Inf. Complementaria I Inf. Complementaria II CONDENSADO DE BOSE-EINSTEIN

6. Características de los fluidos • No resiste a la deformación, ofrece resistencia pequeña o nula a las fuerzas cortantes. • Es completamente deformable, toma la forma de su recipiente.

7. Fluido Densidad (kg/m3) Núcleo del Sol 1.6 x 105 Mercurio líquido 13.6 x 103 Núcleo de la Tierra 9.5 x 103 Glicerina 1.26 x 103 Agua 1.00 x 103 Un buen aceite de oliva 0.92 x 103 Alcohol etílico 0.79 x 103 Aire a nivel del mar 1.29 Densidad La densidad r se define como: La relación entre la densidad de cualquier líquido y la densidad del agua se llama gravedad específica.

8. Densidad de algunassustancias

10. 11B

11. ¿Por qué un bloque de hielo flota en el agua?

12. Porque asciende un globo aerostático? • Porque asciende un globo lleno de helio?

13. Porque flota un barco sabiendo que gran parte de su estructura es de acero? • Que es lo que hace que la densidad del barco sea menor que la del agua?

14. DENSIDAD DEL MERCURIO

15. Presión La presión se define como la fuerza por unidad de área, que actúa perpendicularmente a una superficie:

16. PRESION

17. Porque un hombre con zapatos de esquí puede caminar sobre la nieve?

18. Ejemplo El colchón de una cama de agua mide 2.00 m de largo, 2.00m de ancho y 30 cm de profundidad. Encuentre el peso del agua en el colchón. Encuentre la presión sobre el piso. M = rV = (1.0 x 103)(2 x 2 x 0.3) = = 1.2 x 103 kg. W = Mg = (1.2 x 103)(9.8) = 1.18 x 104 N P = F/A = 1.18 x 104 /(2 x 2) = 2.95 kPa 1 Pa = 1 N/m2 2.00 m 30 cm 2.00 m

19. CLASIFICACION DE LA PRESIÓN • Presión Atmosférica • Presión Hidrostática • Presión Manométrica • Presión Total

20. UNIDADES DE PRESIÓN • 1 Pa = 1 N/m2 • 1 bar = 100,000 Pa • 1 millibar=100 Pa • 1 atmosphere = 101,325 KPa • 1 mm Hg = 133 Pa • 1 inch Hg = 3,386 Pa • 1 atm = 760 torr = 14.696 psi • 1 Bar = 0.9869 atm

21. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN

22. m h mg Presión Hidrostática Es la presión experimentada por un cuerpo sumergido en un fluido

23. Variación de la presión en un fluido en reposo La variación de la presión en un fluido en reposo dependerá solamente de la profundidad. Dos puntos ubicados a la misma profundidad tendrán la misma presión. Analizar caso de la piscina. ¿Por qué duelen los oídos al sumergirse? ¿Qué otra complicación puede ocurrir? Bajo la influencia de la gravedad, la presión varía como función de la profundidad.

24. Pregunta ¿Por que la altura del nivel del agua en los vasos comunicantes es la misma?

25. PRESIÓN EN LOS LÍQUIDOS • Los líquidos transmiten presiones; los sólidos transmiten fuerzas.

26. Principio de Pascal En un fluido la presión depende únicamente de la profundidad. Todo aumento de presión en la superficie se transmite a todos los puntos del fluido. Esto lo reconoció por primera vez el científico francés Blaise Pascal (1623–1662), y se le conoce como el “Principio de Pascal”.

27. PRINCIPIO DE PASCAL • Principio de Pascal: el mismo cambio de presión aplicada a cualquier punto en un fluido en reposo, se transmite a cada una de sus partes.

28. PRINCIPO DE PASCAL

29. Ejemplo En un elevador de automóviles que se emplea en un taller, el aire comprimido ejerce una fuerza sobre un émbolo de sección transversal que tiene un radio de 5 cm. Esta presión se transmite por medio de un líquido a un segundo émbolo de 15 cm de radio. ¿Qué fuerza debe ejercer el aire comprimido para levantar un auto de 13,300 N? ¿qué presión de aire producirá esta fuerza? Se cumple que: Entonces: F1 A1 La presión es: d1 A2 d2 F2

30. APLICACIONES PRINCIPIO PASCAL

32. Tubo en forma de U Calcular la densidad del fluido para valores dados de altura de las columnas.

33. Tubo en forma de U

34. Si el fluido es mercurio y la columna de agua es de 70 cms. Cual es la presión en el tanque?

35. Flotabilidad y principio de Arquímedes El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja».

36. No siempre el volumen sumergido corresponde al volumen total del cuerpo. • Calcular la fuerza de empuje ejercida sobre un cubo de hierro de 1.5 cm3 de lado, totalmente sumergido en agua. Cual sería el empuje si el cubo tiene sumergido un 50% de su volumen. • Hallar el volumen desplazado por un bloque de madera de 1,3 cm3 que pesa 10N y flota la superficie del agua contenida en un recipiente.

37. Un esquimal se encuentra sobre un bloque de hielo de 1.5 m3 de volumen, de manera que la superficie superior del bloque coincide con la superficie del agua del rio en el cual se encuentra. Determinar la masa del esquimal • Una canoa de 50 Kg puede desplazar un volumen máximo de 0,9 m³ de agua. ¿Cuantas personas de 85 Kg pueden subir a bordo de la canoa?.

38. Ejercicio Una pieza de aluminio con 1.00 kg de masa y 2 700 kg/m3 de densidad está suspendida de un resorte y entonces se sumerge por completo en un recipiente de agua (Fig. P15.23). Calcule la tensión en el resorte antes y después de sumergir el metal

39. Ejercicio Un cubo de madera de 20.0 cm de lado y una densidad de 650 kg/m3 flota en el agua. ¿Cuál es la distancia desde la cara superior horizontal del cubo hasta el nivel del agua? ¿Cuánto peso de plomo debe ponerse sobre la parte superior del cubo para que éste quede justo al nivel del agua? Recordar que no siempre el volumen sumergido corresponde al volumen total del cuerpo.

40. Fluidos en movimiento Trabajaremos los fluidos usando algunas simplificaciones que permitirán realizar los cálculos • El fluido es incomprensible. • La temperatura no varía. • El flujo es estable, y entonces la velocidad y la presión no dependen del tiempo. • El flujo no es turbulento, es laminar. • El flujo es irrotacional, de modo que no hay circulación. • El fluido no tiene viscosidad.

41. La ecuación de continuidad Considere el siguiente tubo de flujo.De acuerdo a la conservación de la masa, se tiene: r1v1 A1 =r2v2 A2 Si nos restringimos a fluidos incomprensibles, entonces r1 =r2 y se deduce que v1 A1 =v2 A2 Realizar ejercicio con valores de áreas y velocidades. Ecuación de continuidad. Introducir el concepto de caudal.

42. Ejercicio Por una manguera contra incendios de 6.35 cm de diámetro fluye agua a una relación de 0.012 m3/s. La manguera termina en una boquilla con diámetro interior de 2.20 cm. ¿Cuál es la rapidez con la cual el agua sale de la boquilla?

43. Ecuación de Bernoulli

44. Ejercicio • El agua contenida en un tanque elevado puede fluir por una tubería que esta provista de una válvula ubicada 12 metros por debajo del nivel del agua en el tanque. Si la presión atmosférica es 101325 Pa. Calcular • a. La presión en la válvula cuando esta se encuentra cerrada. • b. La presión cuando esta se abre y la velocidad con la que fluye el agua.

45. Efecto Bernoulli Para un flujo horizontal p + ½ rv2 = constante La presión en menor donde la velocidad del fluido es mayor y viceversa. p1 p2 v2 v1 v1 < v2 p1 > p2

46. El tubo de Venturi La altura promedio del fluido es constante, entonces Esto indica que cuando la velocidad aumenta la presión disminuye Demostrar De la ecuación de continuidad v1 A1 =v2 A2

47. El tubo de Venturi -ejercicio A través de un tubo venturi fluye agua. En la parte mas ancha del tubo el área es de 10 cm2 y en la parte mas angosta es de cm2 . Si la presión en la parte mas ancha es de 200000 Pa y la velocidad con la cual el agua fluye es de 10m/seg. Calcular: La velocidad en la parte mas angosta de tubo. La presión en la parte mas angosta del tubo. v1 A1 =v2 A2

48. Ley de Torricelli La presión del aire en la superficie del líquido (1) es la misma que en el orificio (2), entonces podemos establecer Suponiendo que v1 = 0 (el nivel del líquido cambia muy lentamente), llegamos a: • Tomar valores de altura desde el piso y realizar los siguientes cálculos: • Velocidad con la que el agua sale del recipiente. • Distancia al que cae el chorro

49. Explicación porque flota un bloque de hielo en el agua • El agua tiene un comportamiento diferente a la mayoría de líquidos: Cuando pasa a estado sólido aumenta de volumen. Esto es así porque la densidad del hielo es menor que la del agua. • Si se llena completamente de agua un recipiente y se lo cierra herméticamente para luego congelarlo, al solidificarse el agua generará una enorme presión que si no es soportada por el recipiente, este se deformaría o estallaría.