Estatica De Fluidos

Todos los cuerpos en la naturaleza están formados por pequeñas corpúsculos o moléculas, constituidos a su vez por otros más pequeños, llamados átomos. Estos cuerpos pueden ser de tres tipos:

Cuerpos rígidos.

Cuerpos deformables.

Cuerpos fluidos.

Cuerpos rígidos: son aquellos cuya distancia entre dos moléculas cualesquiera es invariable, aunque se le aplique una fuerza tan grande como se quiera.

Cuerpos deformables: son aquellos que bajo la acción de fuerzas, experimentan modificaciones geométricas. Por otra parte, dentro de los cuerpos deformables se consideran también dos grandes grupos:

Cuerpos elásticos: los cuerpos elásticos se deforman ante una fuerza externa, esto es, la distancia entre sus moléculas varía, pero al retirar la fuerza externa, las fuerzas intermoleculares hacen que las moléculas vuelvan a su posición inicial y así, el cuerpo recupera su forma primitiva, por ejemplo: una regla de plástico. Naturalmente esto ocurre siempre y cuando no se supere un límite que haga que la deformación sea permanente.

Cuerpos no elásticos: estos cuerpos se deforman ante la aparición de una fuerza externa y recuperan parcialmente su forma o no lo hacen absoluto al retirar la fuerza externa, por ejemplo: la plastilina.

En la naturaleza no existen los sólidos rígidos, pues todos se deforman más o menos ante una fuerza externa. Así pues, el sólido rígido vale más como modelo de comportamiento ante unas fuerzas externas, que como un sólido real.

Cuerpos fluidos: son aquellos cuerpos que se pueden deformar con una fuerza tan pequeña como se quiera, lo que hace su comportamiento completamente distinto al de los sólidos. Los fluidos se dividen en:

Gases.

Líquidos.

Los líquidos tienen un determinado volumen que varia poco, pero la forma depende del recipiente que los contenga. A su vez, los gases no tienen volumen definido, pues ocupan todo el volumen del recipiente que los contengan, por grande que sea éste.

Los líquidos tienen sus moléculas tan juntas que resulta prácticamente imposible juntarlas por lo que, haciendo una abstracción, se llama a los líquidos fluidos incomprensibles. Sin embargo, el gas puede aumentar o disminuir su volumen fácilmente, por lo que son fluidos comprensibles.

La estática de fluidos es una rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en equilibrio mecánico y en reposo, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.

Volumen específico (v).

Se denomina volumen específico al volumen ocupado por unidad de masa. Para un fluido homogéneo se define como v=V/m=1/ρ, mientras que en el caso general de un fluido inhomogéneo tendremos que hablar de su valor en un punto,

v(x,y,z,t)=dV/dm=1/ρ

En todos los casos v=1/ρ. Sus unidades en el SI son m3/kg.

Viscosidad.

La viscosidad refleja la resistencia al movimiento del fluido y tiene un papel análogo al del rozamiento en el movimiento de los sólidos. La viscosidad está siempre presente en mayor o menor medida tanto en fluidos comprensibles como incomprensibles, pero no siempre es necesario tenerla en cuenta.

Comprensibilidad.

La compresibilidad representa la relación entre los cambios de volumen y los cambios de presión a que está sometido un fluido. Las variaciones de volumen pueden relacionarse directamente con variaciones de la masa específica si la cantidad de masa permanece constante. En general se sabe que en los fluidos la masa específica depende tanto de la presión como de la temperatura de acuerdo a la ecuación de estado.

Presión de vapor.

Los fluidos en fase liquida o gaseosa dependiendo de las condiciones en que se encuentren. Las sustancias puras pueden pasar por las cuatro fases, desde sólido a plasma, según las condiciones de presión y temperatura a que estén sometidas. Se acostumbra designar líquidos a aquellos materias que bajo las condicione normales de presión y temperatura en que se encuentran en la naturaleza están en esa fase.

Cuando un liquido se le disminuye la presión a la que está sometido hasta llegar a un nivel en el que comienza a bullir, se dice que alcanzado la presión de vapor. Esta presión depende de la temperatura. Así por ejemplo, para el agua a 100°C, la presión es de aproximadamente de 1 bar, que equivale a una atmósfera normal. La presión de vapor y la temperatura de ebullición están relacionadas y definen una línea que separa y el líquido de una misma sustancia en un grafico de presión y temperatura.

Tensión superficial.

Se ha observado que entre la interfase de dos fluidos que no se mezclan se comportan como si fuera una membrana tensa. La tensión superficial es la fuerza que se requiere para mantener en equilibrio una longitud unitaria de esta película. El valor de ella dependerá de los fluidos en contacto y de la temperatura. Los efectos de la superficial solo apreciables en fenómenos de pequeñas dimensiones, como es el caso de tubos capilares, burbujas, gotas y situaciones similares.

El efecto de las fuerzas intermoleculares es de tirar las moléculas hacia el interior de la superficie de un líquido, manteniéndolas unidas y formando una superficie lisa.

La tensión superficial mide las fuerzas internas que hay que vencer para poder expandir el área superficial de un líquido. La energía necesaria para crear una mueva área superficial, trasladando las moléculas de la masa líquida a la superficie de la misma, es lo que se llama tensión superficial.

A mayor tensión superficial, mayor es la energía necesaria para transformar las moléculas interiores del líquido a moléculas superficiales. El agua tiene una alta tensión superficial, por los puentes de hidrógeno.

Densidad (ρ).

La densidad de una sustancia es la masa que corresponde a un volumen unidad de dicha sustancia. Su unidad en el SI es el cociente entre la unidad de masa y la del volumen, es decir kg/m3.

A diferencia de la masa o el volumen, que dependen de cada objeto, su cociente depende solamente del tipo de material de que está constituido y no de la forma ni del tamaño de aquél. Se dice por ello que la densidad es una propiedad o atributo característico de cada sustancia. En los sólidos la densidad es aproximadamente constante, pero en los líquidos, y particularmente en los gases, varía con las condiciones de medida. Así en el caso de los líquidos se suele especificar la temperatura a la que se refiere el valor dado para la densidad y en el caso de los gases se ha de indicar, junto con dicho valor, la presión.

Densidad (ρ), y peso específico (γ).

La densidad está relacionada con el grado de acumulación de materia (un cuerpo compacto es, por lo general, más denso que otro más disperso), pero también lo está con el peso. Así, un cuerpo pequeño que es mucho más pesado que otro más grande es también mucho más denso. Esto es debido a la relación P=m∙g existente entre masa y peso. No obstante, para referirse al peso por unidad de volumen la física ha introducido el concepto de peso específico pe que se define como el cociente entre el peso P de un cuerpo y su volumen

El peso específico representa la fuerza con que la Tierra atrae a un volumen unidad de la misma sustancia considerada. La relación entre peso específico y densidad es la misma que la existente entre peso y masa. La unidad del peso específico en el SI es el N/m3.

Densidad relativa.

La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón:

Para sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón el agua cuya densidad a 4 ºC es igual a 1000 kg/m3. Para gases la sustancia de referencia la constituye con frecuencia el aire que a 0 ºC de temperatura y 1 atm de presión tiene una densidad de 1,293 kg/m3. Como toda magnitud relativa, que se obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la densidad relativa carece de unidades físicas.

Capilaridad.

La capilaridad es el fenómeno por el cual un líquido asciende por tubos muy estrechos. El líquido asciende debido a las fuerzas atractivas entre sus moléculas y la superficie interior del tubo. Estas fuerzas son las llamadas fuerzas de adhesión.

El meñisco de un líquido es la superficie curvada que forma en un tubo estrecho. Para el agua tiene la forma ascendente (como una U) porque las fuerzas que provocan la adhesión de las moléculas de agua al vidrio son mayores que la fuerzas de cohesión, en cambio en caso del mercurio, las fuerzas de cohesión son mayores que las de adhesión y el meñisco tiene los bordes curvados hacia abajo.

Figura. Agua (Izquierda): Fuerzas de adhesión > Fuerzas de cohesión

Mercurio (Derecha): Fuerzas de adhesión > Fuerzas de cohesión

Presión.

Cuando se ejerce una fuerza sobre un cuerpo deformable, los efectos que provoca dependen no sólo de su intensidad, sino también de cómo esté repartida sobre la superficie del cuerpo. Así, un golpe de martillo sobre un clavo bien afilado hace que penetre más en la pared de lo que lo haría otro clavo sin punta que recibiera el mismo impacto. Un individuo situado de puntillas

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