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- 1. Las Fuerza y el equilibrio de los Fluidos Asignatura: Física y Química de 4º ESO Profesor: David Leunda San Miguel Curso 2010/2011 http://lapizarradelaciencia.wordpress.com/
- 2. Debate previo Conocimientos de partida En el tema de dinámica estudiamos: Una fuerza puede producir una deformación Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 3. Debate previo Reflexiona sobre estas cuestiones: ¿Qué prefieres: un pisotón de un zapato plano o de un zapato con tacón? ¿ Cuándo se hunde más la cama: si estas tumbado o bien en posición vertical sobre ella? ¿Cómo clavarías un clavo: de punta o por la cabeza? ¿Cómo permanecerías sin hundirte en un estanque: de pie o sobre una balsa? Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 4. Debate previo Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel En cada caso se ejerce la misma fuerza sobre el mismo objeto en dos situaciones diferentes. ¿Por qué el resultado es tan distinto? Cuanto menor es la superficie sobre la que actúa una fuerza, mayor es su efecto. Este efecto se denomina presión. La presión que soporta cada punto del cuerpo del faquir es menor cuanto mayor sea el número de clavos.
- 5. Presión Concepto de Presión Vamos a definir una nueva magnitud → La presión Como vemos la presión depende de: Fuerza, F Superficie, S Explica cual de las siguientes expresiones te parece más adecuada: (1) P=F.S (2) P= F/S (3) P=S/F Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 6. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Concepto de Presión La presión nos informa de la fuerza ejercida sobre cada unidad de superficie La unidad de presión en el sistema internacional es el N/m2, que recibe el nombre de Pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/1m2 Presión 1bar =100000 Pa 1mbar=100 Pa 1atm = 760 mm de Hg = 101300Pa
- 7. Presión Cuchillo: filo Raquetas de nieve Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel La fuerza ejercida sobre un cuchillo se concentra en una superficie muy pequeña (el filo) produciendo una elevada presión sobre los objetos deformándolos (corte). Un esquiador, ejerce una presión baja sobre la nieve debido a que su peso se distribuye sobre la superficie de los esquís. De esta manera el efecto deformador de su peso disminuye y no se hunde. La presión puede darnos una medida del efecto deformador de una fuerza. A mayor presión, mayor efecto deformador.
- 8. Fluidos ¿Qué es un fluido? Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Los fluidos: Son líquidos y gases. Son sustancias que pueden fluir, es decir, son capaces de pasar a través de pequeños orificios. No tienen forma definida, sino que adoptan a la forma del recipiente que los contiene. Líquidos: Son poco compresibles Gases: Son muy compresibles Importante
- 9. Fluidos ¿Qué es un fluido? Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Líquidos: Son poco compresibles Gases: Son muy compresibles Importante Líquido: al presionar el émbolo, no varía el volumen Gas: al presionar el émbolo, varía el volumen
- 10. Fluidos ¿Por qué motivo las presas de los pantanos tienen la forma de la figura? Pantano Presa Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel La pared en la parte inferior es más gruesa que en la superficie
- 11. Presión Hidrostática Principio fundamental de la estática de fluidos Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Pesolíquido = mlíquido · g = dlíquido · Vlíquido · g Peso = dlíquido· S · h · g dlíquido· S · h · g dlíquido· h · g S p F S = = = p= h.d.g h: profundidad d: densidad del líquido g: aceleración de la gravedad N = m . Kg . N m2 m3 2 Kg
- 12. Principio de Pascal Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Principio de Pascal “La presión ejercida en un punto de un líquido se transmite con la misma intensidad en todas las direcciones”. Blaise Pascal (1623-1662). Aplicaciones: -Vasos comunicantes -Prensa hidráulica Si empujamos al émbolo, el líquido sale por todos los agujeros de igual forma. Lo interpretamos diciendo que la presión se transmite por igual a todos los puntos del fluido
- 13. Vasos comunicantes Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Vasos Comunicantes: dos o más recipientes conectados entre sí que contienen un líquido. ¿En cual de ellos es mayor el nivel de líquido? Respuesta: el mismo en todos ellos. El nivel de líquido en varios vasos comunicantes es el mismo cualquiera que sea la forma de cada uno.
- 14. Vasos comunicantes ¿Qué ocurriría si el nivel en uno de ellos fuera más alto que en el resto? Respuesta: la presión debida a esa columna líquida se transmitiría a todo el líquido. El nivel de los vasos ascendería hasta igualarse con el primero Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 15. Depósitos de agua ¿Dónde se sitúan: en la parte más alta o en la parte más baja de las poblaciones? Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Respuesta: en la parte más alta. Así el agua fluye por las tuberías, alcanzando el mimo nivel en todos los puntos.
- 16. ¿Cómo se extrae agua de un pozo artesiano? Depósitos de agua Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Respuesta: Si el nivel freático (nivel más alto que alcanza el agua) se encuentra a mayor altura que la superficie en la ubicación del pozo.
- 17. Sistemas hidráulicos Elevador Hidráulico: se basa en el principio de Pascal. Consta de dos recipientes cilíndricos de diferente sección, llenos de líquido y conectados entre sí. Cada cilindro tiene un pistón móvil. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Fuerza menor Pistón pequeño Pistón grande Fuerza mayor
- 18. Sistemas hidráulicos Freno Hidráulico: se basa en el principio de Pascal. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Los sistemas hidráulicos amplifican la fuerza aplicada, pero no la energía Ejemplos: tren de aterrizaje de los aviones, puertas del autobús, grúas articuladas
- 19. La presión atmosférica ¿Pesa el aire? Respuesta: Sí Puedes probar con una bombona de gas butano vacía y llena y notarás la diferencia. La masa de aire sobre la Tierra pesa. Es semejante a un océano de aire de 100 Km de profundidad. De acuerdo con el principio de la estática de fluidos, la atmósfera ejerce una presión sobre los cuerpos situados en su interior. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 20. La presión atmosférica Evidencias de la presión atmosférica Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 21. La presión atmosférica La presión atmosférica: la fuerza por unidad de superficie ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos situados en su interior. Experiencia de E, Torricelli (1608-1647). La presión ejercida por esta columna de líquido estaba equilibrada por la presión ejercida por el aire. El mercurio del tubo desciende algunos centímetros, pero se mantiene en equilibrio una columna de 76 cm de altura Tubo de vidrio lleno de mercurio y cerrado por un extremo Cubeta de mercurio La presión atmosférica sostiene la columna de mercurio Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 22. La presión atmosférica ¿Qué valor tiene la presión atmosférica? Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel La experiencia de Torricelli equilibra una columna de 76 cm de mercurio. Suponemos 1cm de sección, su volumen es 76 cm3 = 7,6.10-5 m3. La masa de la columna es: El peso es: La presión ejercida sobre la sección de 1cm2=10-4m2 A nivel del mar
- 23. La presión atmosférica Variación de la presión atmosférica con la altitud Respuesta: A mayor altitud, tendremos menor presión ¿Dónde es mayor la presión: en una montaña o a nivel del mar? Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel De acuerdo con el principio fundamental de la Hidrostática la presión en un fluido varía con la profundidad. El valor anterior de presión corresponde al nivel del mar. Su valor disminuye con la altura. Y llega a anularse para alturas próximas a 100 Km.
- 24. La presión atmosférica y la altitud Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Nivel del mar
- 25. La presión atmosférica ¿Cómo se mide la presión atmosférica? Tipos de barómetros: metálicos y de mercurio Barómetro metálico Consta de una caja metálica en cuyo interior se ha hecho vacío: la presión atmosférica deforma la caja y es medida con una aguja acoplada y graduada Barómetro de mercurio Más preciso. Consiste en un tubo de mercurio abierto por un extremo y sumergido en una cubeta del mismo líquido. La altura de la columna representa el valor de presión Respuesta: Barómetro Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 26. ¿Por qué es más fácil levantar a alguien en el agua que en el aire? ¿Por qué flotan los barcos? ¿Por qué las ballenas pueden mover en el agua su pesado cuerpo? Respuesta: Se basa en el principio de Arquímedes. Los cuerpos sumergidos en agua experimentan una fuerza de empuje hacia arriba. Esta fuerza de empuje supone una disminución aparente del peso. Arquímedes: Fuerza de empuje Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 27. Arquímedes: Fuerza de empuje Dinamómetro Mide el peso: Fuerza Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 28. ¿Se observaría este mismo efecto en un cuerpo que se encuentre el seno de un gas? Respuesta: Sí, aunque la pérdida aparente de peso es menor que en el caso de los líquidos. Arquímedes: Fuerza de empuje Conclusión: Siempre que un cuerpo se encuentre en el interior de un fluido, sobre él actúa la fuerza de empuje que tiene dirección y sentido hacia arriba. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 29. Arquímedes: Fuerza de empuje Para sumergir una pelota en el agua, hay que vencer la fuerza de empuje si después se suelta, el empuje la hace saltar por encima de la superficie Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 30. El principio de Arquímedes Arquímedes (Siglo III a.C): Descubrió que la fuerza de empuje sobre un cuerpo sumergido en un líquido es igual al peso del líquido desplazado por el cuerpo. La Fuerza de empuje E, es la resultante entre las dos fuerzas que ejerce un líquido de dL sobre la cara superior e inferior del cuerpo sumergido. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel E=F2-F1= p2 S - p1 S Aplico Principio fundamental de la Hidrostática: E=h2.dL.g.S - h1.dL. g. S = (h2-h1).S. dL. G (h2-h1). S = Vcuerpo (m3) = Vlíquido desplazado (m3) Unidades: Kg . m3 . m = Kg. m m3 s2 s2 E= Vcuerpo.dlíquido.g = mL.g
- 31. Principio de Arquímedes Principio de Arquímedes: Todo cuerpo sumergido parcial o totalmente en un fluido (líquido o gas), experimenta una fuerza (empuje) vertical y hacia arriba igual al peso del fluido desalojado. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel http://www.educaplus.org/play-133-Principio-de-Arquímedes.html
- 32. Arquímedes: Fuerza de empuje Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 33. Arquímedes: la corona del rey Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 34. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Un sólido sumergido completamente en un fluido está sometido a dos fuerzas : el peso hacia abajo y el empuje hacia arriba. P < E P = E Peso Empuje El cuerpo se hunde El cuerpo asciende El cuerpo se mantiene en equilibrio Peso Empuje P > E Empuje Peso Arquímedes
- 35. Arquímedes ¿Es constante la fuerza de empuje? Respuesta: No. Depende de la porción de sólido que se encuentra sumergido. Esta porción de sólido sumergido determina el volumen de líquido desplazado. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 36. ¿Por qué flotan los barcos? Respuesta: Porque el empuje debido al peso del agua que desaloja su parte sumergida equilibra su peso. ¿Por qué suben y bajan los submarinos en el mar? Respuesta: mediante el llenado o vaciado de tanques de agua. Al aumentar el peso, el submarino se hunde. Al expulsar el agua de sus depósitos, el peso es menor que el empuje y sube. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Equilibrio de sólidos en fluidos Principio de Arquímedes: Aplicaciones
- 37. Principio de Arquímedes: Aplicaciones ¿Cómo vuelan los aerostatos? Respuesta: El principio de Arquímedes es el responsable del empuje aerostático, fundamento de la elevación de los globos y aeróstatos. Son aeronaves llenas de un gas menos denso que el aire (helio), o bien aire caliente. Son menos densos que el aire. Su peso es menor que el empuje sobre ellos. Controlando el peso mediante lastres y el empuje mediante la cantidad de gas encerrado se dirige el ascenso y el descenso. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 38. Principio de Arquímedes: Aplicaciones Densímetro Permite ver la densidad de un líquido. Al sumergirlo en un líquido, el empuje equilibra su peso: la porción de densímetro que sobresale depende de la densidad del líquido. Lleva una escala graduada. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel Mosto Vino ( ↑azúcar) (↓azúcar) Densidad mayor Densidad menor d=1030 g/l d=990 g/l Fermentación alcohólica La densidad va disminuyendo a medida que avanza la fermentación. Por ejemplo: permite ver el descenso de densidad del mosto en fermentación.
- 39. Curiosidad Mar muerto Elevada salinidad: 27 % (en peso). Resto de mares y océanos tienen entre un 2-3%. Entre Israel y Jordania. Es el agua más salado y denso del mundo. La elevada salinidad, hace que aumente la densidad del agua y por tanto el empuje que experimenta un cuerpo en su interior. Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel
- 40. FIN Unidad Fluidos: Física y Química 4 º ESO. David Leunda San Miguel