Mecánica de Fluidos
- Cuando se habla de mecánica de fluidos se hace referencia a la rama de la mecánica de medios continuos (que a su vez es una rama de la física) que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos), asi como las fuerzas que los provocan.
Presión
- Hace referencia a la reacción inmediata que ejerce un cuerpo sobre otro en relación de peso o fuerza. De igual forma, se define como la magnitud que se refiere a la derivada de la fuerza con respecto al área. La presión se puede clasificar en:
1. Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra (barométrica) sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella (la presión atmosférica cambia con la altura sobre el nivel del mar y las condiciones atmosféricas).
2. Presión hidrostática: Es aquella presión que un fluido en reposo genera por su propio peso.
Principio de Arquímedes
- El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.
- La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en la figuras:
-
El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
-
La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.
Principio de Pascal
- Plantea que la presión que ejerce un fluido que está en equilibrio y que no puede comprimirse, alojado en un envase cuyas paredes no se deforman, se transmite con idéntica intensidad en todos los puntos de dicho fluido y hacia cualquier dirección.
- La aplicación de esta ley puede observarse en diversos dispositivos que apelan a la energía hidráulica. De acuerdo a lo advertido por Pascal, el agua que ingresa a un recipiente con las características mencionadas, puede ser expulsada por cualquier agujero que tengan a la misma presión y velocidad.
Tensión Superficial
- Hace referencia a la cantidad de energía que se requiere para incrementar la superficie de un líquido por unidad de área. Dicha energía se necesita ya que los líquidos ejercen una resistencia a la hora de incrementar la superficie.
- La tensión superficial surge por las fuerzas que actúan cohesionando las moléculas de los líquidos. Dichas fuerzas no son iguales en la superficie y en el interior del líquido, aunque en promedio terminan anulándose. Como las moléculas de la superficie tienen más energía, el sistema tiende a minimizar el total de energía a partir de una reducción de las moléculas superficiales; de este modo, el área del líquido se reduce al mínimo.
Capilaridad
- Hace referencia a la cantidad de energía que se requiere para incrementar la superficie de un líquido por unidad de área. Dicha energía se necesita ya que los líquidos ejercen una resistencia a la hora de incrementar la superficie.
Procedimientos
-
Proyecto 1: Pulmón en una botella.
Materiales
- Un globo.
- Gomas elásticas.
- Una botella transparente de 2 litros.
- Guante de plástico o globo grande.
- Tijeras.
Procedimiento
-
Cortamos la parte inferior de la botella a fin de obtener un contenedor de unos 20 cm de altura sin fondo.
-
Cortamos uno de los globos por la mitad. Estiramos la parte ancha del globo y la ubicamos en la parte inferior de la botella como si fuera la tapa de un tambor.
-
Ubicamos el otro globo en la boca de la botella permitiendo que cuelgue hacia adentro. Doblamos por fuera de la abertura para que quedara fijo.
-
En el modelo construido este último globo representa el pulmón, la botella la cavidad pulmonar y el globo estirado el diafragma.
Explicación
El aire tiende de manera natural a ir de las zonas con mayor presión a las zonas con menor presión. En nuestro modelo, al tirar del globo ubicado en la parte inferior se produce más presión, por lo que el aire tiende a salir del globo. Del mismo modo, cuando se suelta el globo inferior, la presión baja y el aire entra en el globo.
Cuando el globo inferior (nuestro diafragma) se expande hace que el globo superior (nuestros plumones) se hinche. Cuando sucede lo contrario, o sea cuando se contrae hace que se expulse el aire.
-
Proyecto 2: Vasos Comunicantes
Materiales
- Sistema de vasos comunicantes (un recipiente unido con un tubo de plástico a otro recipiente).
- Agua.
- Colorante.
Procedimiento
-
Se llenó uno de los recipientes con agua.
-
Agregamos colorante a un recipiente.
-
Observamos cómo se combinaba el agua en los dos recipientes.
-
Ubicamos un vaso a mayor altura que el otro. Observamos cómo el agua del recipiente de mayor altura comenzará a desplazarse nuevamente el agua hasta volver a estar a la misma altura.
Explicación
Vasos comunicantes es el nombre que recibe un conjunto de recipientes comunicados por su parte inferior, superior o lateral y que contienen un líquido homogéneo; se observa que cuando el líquido está en reposo alcanza el mismo nivel en todos los recipientes, sin influir la forma y volumen de estos. Cuando sumamos cierta cantidad de líquido adicional, éste se desplaza hasta alcanzar un nuevo nivel de equilibrio, el mismo en todos los recipientes. Sucede lo mismo cuando inclinamos los vasos; aunque cambie la posición de los vasos, el líquido siempre alcanza el mismo nivel.
Esto se debe a que la presión atmosférica y la gravedad son constantes en cada recipiente, por lo tanto la presión hidrostática a una profundidad dada es siempre la misma, sin influir su geometría ni el tipo de líquido. Blaise Pascal demostró en el siglo XVII, la presión que se ejerce sobre un mol de un líquido, se transmite íntegramente y con la misma intensidad en todas direcciones (Principio de Pascal).
-
Proyecto 3: Densidad (Picnómetro)
- El principio de Arquímedes, además de permitir explicar fenómenos relacionados con la flotación de los objetos, nos permite determinar la densidad de materiales. En esta práctica vamos a determinar la densidad de algunos materiales mediante la aplicación de Arquímedes.
Parte 1 (Picnómetro)
Materiales
- Balanza.
- Picnómetro.
- Agua.
- Aceite.
- Alcohol.
Procedimiento
1. Ubicamos el picnómetro vació sobre la balanza y determinamos su masa.
2. Llenamos el picnómetro de agua hasta el borde superior y medimos nuevamente su masa, tomando un volumen determinado.
3. Teniendo en cuenta los dos resultados anteriores, determinamos la masa y la densidad del agua.
4. Repetimos este procedimiento con el aceite y luego con el alcohol.
Resultados
Parte 2 (Objetos)
Materiales
- Canicas.
- Balanza.
- Probeta.
- Agua.
Procedimiento
-
Ubicamos un objeto cualquiera sobre la balanza y determinamos su masa.
-
Tomamos una probeta con un volumen determinado e introducimos en ella el objeto.
-
Teniendo en cuenta los dos resultados anteriores, determinamos la densidad del cuerpo.
-
Repetimos este procedimiento con otros objetos.
-
Determinamos la diferencia de estos volúmenes, encontrando el volumen de cada cuerpo.
Resultados
Pregunta Clave:
¿Podría decirse que el principio de Arquímedes sirve para determinar la densidad de cuerpos irregulares?
- Si se puede hallar la densidad de un solido, puesto que en la formula del principio de Arquimedes Empuje=Densidad del liquido * Gravedad * *Volumen sumergido* y sabiendo que Empuje es igual al Peso, y Peso= *Masa* *Gravedad, podemos encontrar todos los elementos necesarios para hallar la densidad mediante la formula Densidad=Masa/Volumen , así como Arquimedes encontró la densidad de la corona de oro falso que le encomendó el rey.
-
Proyecto 4: Densidad del Jugo.
- Supón que tienes en tus manos una chocolatina, esta posee cierta cantidad de masa y ocupa determinado volumen. Si en algún momento decides partirla en dos, cada parte tendrá la mitad de la masa y ocupará la mitad del volumen de la chocolatina que tenías inicialmente. Al analizar esta sencilla experiencia, se puede afirmar que a cada cantidad de la masa le corresponde un volumen determinado.
Materiales
- Balanza.
- Caja de jugo de 200ml.
- Beaker.
- Regla.
Procedimiento
-
Ubicamos la caja de jugo sobre una balanza y anotamos su masa.
-
Tomamos el valor del volumen que está en la etiqueta del recipiente con jugo y los anotamos. Luego, con la ayuda de la regla, medimos el largo, ancho y alto de la caja y determinamos el volumen de esta. Lo comparamos con el que viene anotado en la etiqueta de la caja.
-
Tomamos un beaker vacío y determinamos su masa en una balanza.
-
Depositamos en el beaker el jugo de la caja y determinamos su volumen. Con la ayuda de una balanza determinamos la masa del líquido y del beaker.
-
Teniendo en cuenta los dos resultados anteriores, determinamos la masa del líquido y su densidad.
-
Proyecto 5: Presión hidrostática y principio de Pascal.
Presión hidrostática y principio de Pascal.
- Probablemente más de una vez has visto maquinaria pesada trabajando en las calles o en las carreteras levantando grandes piedras o rompiendo el pavimento para hacer un arreglo. La mayoría de estas máquinas son hidráulicas, es decir, usan los fluidos para aplicar y aumentar las fuerzas.
Parte 1 (Botella con agua y tuercas).
Materiales
- Agua.
- Botella de agua pequeña.
- Lápiz o cualquier utensilio para hacer agujeros.
- Pedazo de papel.
- Banda elástica.
- Tijeras.
- Tuercas.
Procedimiento
-
Llena con agua una botella de plástico.
-
Recortamos un pedazo de papel y tapamos la boca de la botella, agarrando está con una banda de caucho.
-
Utilizamos el lápiz para perforar varios huecos (pequeños).
-
Giramos la botella y notamos cómo el agua no sale de la botella.
-
Repetimos el mismo procedimiento pero esta vez, agregando las tuercas en la botella y observamos los resultados.
Parte 2 (Densidad y huevos)
Materiales
- Tres huevos.
- Tres recipientes
- Sal.
Procedimiento
-
Agregamos agua en los tres recipientes.
-
Agregamos los huevos, uno en cada recipiente.
-
Agregamos unas cucharadas de sal en el segundo y unas cucharadas más en el tercero, cuidando que no se rompan los huevos.
-
Observamos cómo el huevo flota completamente el el tercer recipiente, flota un poco en el segundo y se hunde en el primero.
Explicación
El que un objeto flote o se hunda en un líquido depende de la relación entre las densidades del objeto y del líquido. Sobre el huevo actúan dos fuerzas: su peso (la fuerza de gravedad que lo empuja hacia abajo) y el empuje del agua (resistencia del agua que lo lleva hacia arriba). Si el peso es mayor que el empuje del agua, el huevo se hunde. En caso contrario flota y si son iguales (o aproximadamente iguales): el huevo queda en el medio.
El empuje que sufre un cuerpo en un líquido depende de tres factores: la densidad del líquido, el volumen del cuerpo y la gravedad. El volumen y la gravedad se mantienen inalterables, pero al agregar sal lo que hacemos es aumentar la densidad del agua, con lo que logramos que el empuje sea mayor al peso del huevo y entonces el huevo flota.
Principio de Arquímedes
Este sencillo experimento nos pone frente al desarrollo del principio de Arquímedes, el cual señala: “Todo cuerpo sumergido en un fluido (líquido o gas), experimenta una fuerza (empuje) vertical y hacia arriba igual al peso del fluido desalojado”.
En pocas palabras, y aplicándolo a nuestra experiencia, podemos afirmar que sobre un cuerpo actúan dos fuerzas: su peso y el empuje (que ya detallamos en el experimento). Si el peso del cuerpo es mayor que el empuje se hundirá, si el peso del agua es mayor el cuerpo va a flotar y si los pesos son equivalentes el cuerpo quedará entre las dos aguas. Además, el empuje de un cuerpo es condicionado por tres factores: la densidad del líquido, el volumen del cuerpo sumergido y la fuerza de gravedad.
-
Experimento 6: Flotabilidad de frutas.
Materiales
- Frutas.
- Recipiente transparente grande.
- Agua.
Procedimiento
-
Llenamos con agua el recipiente.
-
Formulamos hipótesis sobre la flotabilidad de cada fruta.
-
Comprobamos nuestras predicciones introduciendo cada fruta en el agua.
Explicación
El que un objeto flote o se hunda en el agua depende de su densidad. Los objetos que tienen una densidad mayor que la del agua se hunden en ella. Cuando introducimos un objeto en un vaso de agua, el nivel aumenta, esto se debe a que el objeto ocupa sitio, tiene volumen y para poder entrar en el agua debe desalojar, ya que dos cosas no pueden estar en el mismo sitio a la vez.
El volumen de agua desalojada tiene masa. Recordemos que toda masa es atraída hacia el centro de la Tierra debido a la gravedad y que cuanto mayor es la masa, mayor es la fuerza de atracción. Si la masa del objeto es mayor que la masa del volumen de agua desalojada, la fuerza gravitatoria es mayor sobre el objeto que sobre el agua desalojada y como consecuencia, el objeto se hunde.
-
Experimento 7: Vasos
Materiales
- Dos vasos.
- Aceite.
- Agua.
- Colorante vegetal
- Una carta
Procedimiento
-
Llenamos con agua y colorante el primer vaso.
-
Llenamos con aceite el segundo vaso.
-
Mojamos la carta.
-
Pusimos la carta encima del primer un vaso.
-
Colocamos el primer vaso boca abajo y encima del segundo.
-
Retiramos la carta de la mitad.
-
Experimento 8: Yema del huevo
Materiales
- Un huevo.
- Una botella plástica.
- Un plato plástico
Procedimiento
-
Rompimos el huevo y lo pusimos en un plato hondo.
-
Tomamos la botella vacía y la ejercimos presión sobre la misma.
-
Pusimos el pico de la botella en la yema del huevo.
-
Liberamos la presión ejercida hacia la botella.