Tema 19 de 37Física

Estática de fluidos 1

Descubrirás cómo se distribuye la fuerza en líquidos y gases en reposo y aprenderás a definir densidad, presión hidrostática, atmosférica y manométrica para resolver situaciones cotidianas.

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El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

Si una persona de 80 kg se para sobre una sola puntilla, esa puntilla se clava en el piso o en su zapato; pero si el mismo peso se reparte sobre una plataforma amplia, no ocurre lo mismo. La fuerza total no cambió, cambió la distribución de esa fuerza sobre un área. Esa idea es la base de la presión.

En el tema anterior, Energía térmica, vimos que la temperatura se relaciona con la agitación de las partículas. Ahora estudiaremos los fluidos en reposo: líquidos y gases. Queremos responder preguntas como: ¿por qué los tanques de agua se ubican en los techos? ¿Por qué una represa es más ancha en su base? ¿Por qué la presión atmosférica disminuye al subir una montaña? ¿Qué mide realmente un manómetro?

Este tema es el primer paso para comprender la estática de fluidos. Aprenderás a definir con precisión la densidad, la presión, la presión hidrostática, la presión atmosférica y la presión manométrica. Todo ello prepara el camino para el siguiente tema, Estática de fluidos 2, donde usaremos estas ideas para entender la prensa hidráulica y por qué algunos cuerpos flotan.

Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Antes de empezar, conviene recordar tres ideas básicas:

  • Fuerza y equilibrio: el peso de un cuerpo es Fg=mg F_g = mg , donde m m es la masa y g g la aceleración de la gravedad. Si un cuerpo está en reposo sobre una superficie, la fuerza normal que recibe del piso equilibra al peso.
  • Unidades y conversiones: en el Sistema Internacional, la masa se mide en kilogramos, la longitud en metros, el volumen en metros cúbicos y la fuerza en newtons. También usaremos frecuentemente el centímetro cúbico y el litro:
    1 L=1000 cm3=10−3 m3 1\text{ L}=1000\text{ cm}^3=10^{-3}\text{ m}^3
  • Temperatura y densidad: del tema anterior recordamos que los gases, al calentarse, tienden a expandirse; esto modifica su densidad. Aquí, salvo que se diga lo contrario, consideraremos fluidos en reposo con densidad constante.
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1. ¿Qué es un fluido en reposo?

Un fluido es toda sustancia que puede fluir y adoptar la forma del recipiente que lo contiene. Se clasifican en:

Tipo de fluido Forma Volumen Ejemplos
Líquido Adopta la forma del recipiente Tiene volumen propio Agua, aceite, mercurio
Gas Ocupa todo el recipiente Se expande y comprime Aire, gas natural, vapor de agua

Cuando un fluido está en reposo, no puede resistir esfuerzos tangenciales: si empujas un líquido lateralmente, este se desliza. Por eso, en un fluido en equilibrio las fuerzas que ejerce sobre las superficies son siempre perpendiculares a ellas.

Esta propiedad explica por qué la presión se define usando la fuerza perpendicular a la superficie, no la fuerza total.

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2. Densidad: cuánta masa hay en cada unidad de volumen

2.1. Definición

La densidad ρ \rho es una magnitud escalar que mide la cantidad de masa contenida en cada unidad de volumen de una sustancia.

Para un material homogéneo:

ρ=mV \rho = \frac{m}{V}

donde:

  • m m es la masa de la sustancia.
  • V V es el volumen que ocupa.

La densidad es una propiedad intensiva: no importa si tomamos un vaso o una piscina de agua, la densidad del agua sigue siendo la misma.

2.2. Unidades y conversión

En el Sistema Internacional:

[ρ]=kgm3 [\rho] = \frac{\text{kg}}{\text{m}^3}

También se usa mucho:

[ρ]=gcm3 [\rho] = \frac{\text{g}}{\text{cm}^3}

La equivalencia fundamental es:

1gcm3=1000kgm3 1\frac{\text{g}}{\text{cm}^3} = 1000\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}

Por ejemplo, el agua tiene:

ρagua=1gcm3=1000kgm3 \rho_{\text{agua}} = 1\frac{\text{g}}{\text{cm}^3} = 1000\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}

2.3. Densidades de algunas sustancias

Sustancia Densidad (kg/m³) Densidad (g/cm³)
Aire (a nivel del mar) 1,2 0,0012
Aceite 800 0,80
Agua dulce 1000 1,00
Agua de mar 1026 1,026
Aluminio 2700 2,70
Hierro 7860 7,86
Mercurio 13600 13,6

Observa que el mercurio es mucho más denso que el agua: un litro de mercurio tiene una masa de 13,6 kg, mientras que un litro de agua tiene una masa de 1 kg.

2.4. Densidad relativa y peso específico

La densidad relativa de una sustancia es la comparación de su densidad con la del agua:

ρrelativa=ρsustanciaρagua \rho_{\text{relativa}} = \frac{\rho_{\text{sustancia}}}{\rho_{\text{agua}}}

Por ejemplo, la densidad relativa del aceite de densidad 800 kg/m3 800\text{ kg/m}^3 es 0,8 0,8 .

Otra magnitud útil es el peso específico γ \gamma , que mide el peso por unidad de volumen:

γ=FgV=ρg \gamma = \frac{F_g}{V} = \rho g

En el SI se mide en N/m3 \text{N/m}^3 . Mientras que la densidad es masa por volumen, el peso específico es peso por volumen.

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3. Presión: distribución de una fuerza perpendicular

3.1. Definición

La presión P P es una magnitud escalar que describe cómo se distribuye una fuerza perpendicular sobre una superficie.

Si una fuerza normal FN F_N se reparte uniformemente sobre un área A A , la presión media es:

P=FNA P = \frac{F_N}{A}

Unidad en el SI:

[P]=Nm2=pascal=Pa [P] = \frac{\text{N}}{\text{m}^2} = \text{pascal} = \text{Pa}

Así, 1 Pa 1\text{ Pa} significa que sobre cada metro cuadrado actúa una fuerza normal de 1 N 1\text{ N} .

3.2. ¿Fuerza o presión?

Un error común es confundir fuerza con presión. La fuerza se mide en newtons y la presión en pascales, es decir, fuerza por unidad de área.

Por ejemplo, una persona de 600 N 600\text{ N} de peso parada sobre una tabla de 2 m2 2\text{ m}^2 ejerce una presión de:

P=6002=300 Pa P = \frac{600}{2} = 300\text{ Pa}

Si la misma persona se para sobre una base de 0,02 m2 0,02\text{ m}^2 , la presión será:

P=6000,02=30 000 Pa P = \frac{600}{0,02} = 30\,000\text{ Pa}

La fuerza sigue siendo 600 N 600\text{ N} , pero la presión se multiplicó por cien.

La misma fuerza sobre distinta área produce distinta presión

3.3. Solo la componente perpendicular genera presión

Si una fuerza no es perpendicular a la superficie, solo se usa su componente normal FN F_N . La componente tangencial no contribuye a la presión.

Por ejemplo, si una fuerza F F forma un ángulo θ \theta con la superficie, la componente normal es:

FN=Fcos⁡θ F_N = F \cos\theta

y la presión es:

P=Fcos⁡θA P = \frac{F \cos\theta}{A}

En un fluido en reposo, todas las fuerzas de contacto con las paredes del recipiente son normales, así que esta distinción es muy natural.

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4. La presión hidrostática: el peso de un líquido en reposo

4.1. Idea fenomenológica

Cuando te sumerges en una piscina, sientes mayor presión en los oídos a mayor profundidad. También observamos que una botella con un agujero en la base lanza el agua con mayor rapidez si el nivel de agua está más alto.

La presión hidrostática es la presión que ejerce un líquido en reposo debido a su propio peso.

4.2. Deducción de la fórmula

Consideremos un líquido de densidad ρ \rho en reposo dentro de un recipiente. Tomemos una superficie horizontal de área A A ubicada a una profundidad h h desde la superficie libre.

Presión hidrostática: columna de líquido de área A a profundidad h.

La columna de líquido situada encima de esa área tiene:

  • Volumen: V=Ah V = A h
  • Masa: m=ρV=ρAh m = \rho V = \rho A h
  • Peso: Fg=mg=ρAhg F_g = mg = \rho A h g

Como el líquido está en reposo, el peso de la columna se equilibra con la fuerza normal que ejerce el líquido inferior sobre esa área. La presión en la superficie A A debida al peso del líquido es:

PH=FNA=ρAhgA P_H = \frac{F_N}{A} = \frac{\rho A h g}{A}

Simplificando:

PH=ρgh P_H = \rho g h

donde:

  • ρ \rho es la densidad del líquido (kg/m³),
  • g g es la aceleración de la gravedad (m/s²),
  • h h es la profundidad medida desde la superficie libre del líquido (m).

La unidad de PH P_H es el pascal (Pa).

4.3. Observaciones importantes

  1. La presión hidrostática depende únicamente de la densidad, la gravedad y la profundidad. No depende de la forma del recipiente ni de la cantidad total de líquido.
  2. A mayor profundidad, mayor presión. Por eso el agua sale con más fuerza por un agujero ubicado más abajo.
  3. Todos los puntos de un mismo líquido en reposo ubicados a la misma profundidad soportan la misma presión. La línea que une esos puntos se llama línea isóbara.
  4. La presión hidrostática actúa en todas direcciones: sobre el fondo, las paredes y dentro del líquido.

Recipiente de forma irregular lleno de agua con línea isóbara a profundidad h

4.4. Aplicaciones

  • Represas: la pared debe ser más ancha en la base porque allí la presión hidrostática es mayor.
  • Tanques elevados: en las casas, los tanques de agua se ubican en los techos para que la columna de agua genere una presión adecuada en las cañerías.
  • Manguera de nivel: los albañiles usan una manguera transparente llena de agua para trasladar niveles de un punto a otro. Como los puntos de la superficie libre de un mismo líquido en reposo tienen la misma presión, el agua busca el mismo nivel en ambos extremos. Esto es la base de los vasos comunicantes.
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5. La presión atmosférica: el peso del aire

5.1. Definición

La presión atmosférica Patm P_{\text{atm}} es la presión que ejerce el peso de la atmósfera terrestre sobre los cuerpos y superficies.

Aunque no la percibimos normalmente, vivimos sumergidos en un océano de aire. La atmósfera está formada por gases y se extiende hasta decenas de kilómetros de altura. Sobre cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre se apoya una columna de aire cuyo peso genera presión.

5.2. Valor a nivel del mar

A nivel del mar, la presión atmosférica es máxima, porque encima de un punto se encuentra toda la columna de aire. Su valor normal es:

Patm=101 325 Pa≈1,013×105 Pa P_{\text{atm}} = 101\,325\text{ Pa} \approx 1,013\times 10^5\text{ Pa}

Equivalencias útiles:

Unidad Equivalencia
1 atm1\text{ atm} 101,3 kPa101,3\text{ kPa}
1 atm1\text{ atm} 760 mmHg760\text{ mmHg}
1 bar1\text{ bar} 105 Pa10^5\text{ Pa}

En los problemas de admisión suele usarse:

Patm≈105 Pa P_{\text{atm}} \approx 10^5\text{ Pa}

para simplificar los cálculos.

5.3. Variación con la altitud

La presión atmosférica disminuye a medida que subimos, porque queda menos aire encima de nosotros. En una montaña alta, la presión es menor que a nivel del mar, lo que dificulta la respiración.

Para estimar esta variación en problemas introductorios, se suele considerar el aire como un fluido homogéneo de densidad constante. Entonces, entre dos alturas h1 h_1 y h2 h_2 , la variación de presión tiene la misma forma que la presión hidrostática:

ΔP=ρairegΔh \Delta P = \rho_{\text{aire}} g \Delta h

donde Δh=h2−h1 \Delta h = h_2 - h_1 es la diferencia de alturas.

Si subimos, la presión final es menor que la inicial:

Parriba=Pabajo−ρairegΔh P_{\text{arriba}} = P_{\text{abajo}} - \rho_{\text{aire}} g \Delta h

Hay que notar que en la atmósfera real la densidad del aire no es constante: disminuye con la altitud y la temperatura. Sin embargo, para problemas de física preuniversitaria, el modelo de aire homogéneo es suficiente.

5.4. Medición de la presión atmosférica: el barómetro

La presión atmosférica se mide con un barómetro. El barómetro de mercurio consiste en un tubo lleno de mercurio invertido sobre una cubeta del mismo líquido. La presión atmosférica sobre la cubeta equilibra la columna de mercurio.

A nivel del mar, la altura de la columna de mercurio es 760 mm 760\text{ mm} , lo que da origen a la unidad mmHg:

1 atm=760 mmHg 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg}

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6. Presión manométrica y presión absoluta

6.1. ¿Qué mide un manómetro?

Un manómetro es un instrumento que mide la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica. Esa diferencia se llama presión manométrica Pman P_{\text{man}} .

Pman=Pabsoluta−Patm P_{\text{man}} = P_{\text{absoluta}} - P_{\text{atm}}

La presión absoluta es la presión total real en un punto. La presión manométrica es lo que marca el manómetro. Por ejemplo, si un manómetro de llanta marca 30 psi 30\text{ psi} , significa que la presión dentro de la llanta excede en 30 psi 30\text{ psi} a la presión atmosférica externa.

6.2. Presión absoluta en un líquido expuesto a la atmósfera

Consideremos un recipiente abierto que contiene un líquido de densidad ρ \rho . En un punto situado a una profundidad h h , la presión total o absoluta es la suma de la presión atmosférica y la presión hidrostática:

Pabsoluta=Patm+ρgh P_{\text{absoluta}} = P_{\text{atm}} + \rho g h

Entonces, la presión manométrica en ese punto es:

Pman=Pabsoluta−Patm=ρgh P_{\text{man}} = P_{\text{absoluta}} - P_{\text{atm}} = \rho g h

Es decir, cuando un líquido está abierto a la atmósfera, la presión manométrica coincide con la presión hidrostática.

Recipiente abierto con agua: presión absoluta y manométrica

6.3. Ejemplo conceptual

Una persona baja al fondo de una piscina de 3 m 3\text{ m} de profundidad. La presión manométrica es:

Pman=ρgh=1000×10×3=30 000 Pa P_{\text{man}} = \rho g h = 1000 \times 10 \times 3 = 30\,000\text{ Pa}

La presión absoluta es:

Pabs=105+30 000=1,3×105 Pa P_{\text{abs}} = 10^5 + 30\,000 = 1,3\times 10^5\text{ Pa}

El manómetro marcaría 30 000 Pa 30\,000\text{ Pa} , pero la presión real que soporta la persona es 130 000 Pa 130\,000\text{ Pa} .

6.4. Presión manométrica positiva y negativa

  • Si Pabs>Patm P_{\text{abs}} > P_{\text{atm}} , la presión manométrica es positiva: el fluido está comprimido respecto a la atmósfera.
  • Si Pabs<Patm P_{\text{abs}} < P_{\text{atm}} , la presión manométrica es negativa: se habla de vacío parcial o succión.

Un ejemplo de presión manométrica negativa es el interior de una pajilla cuando succionamos un refresco: la presión dentro de la boca y de la pajilla es menor que la atmosférica, por lo que la presión atmosférica empuja el líquido hacia arriba.

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7. Diferencia de presión entre dos puntos de un fluido en reposo

En un mismo líquido en reposo, consideremos dos puntos A A y B B ubicados a profundidades hA h_A y hB h_B , respectivamente. La diferencia de presiones entre ellos es:

PA−PB=ρg(hA−hB) P_A - P_B = \rho g (h_A - h_B)

Si A A está más profundo que B B , entonces hA>hB h_A > h_B y PA>PB P_A > P_B . Esta expresión es el principio fundamental de la hidrostática.

También se puede escribir como:

ΔP=ρgΔh \Delta P = \rho g \Delta h

donde Δh \Delta h es la diferencia de profundidades.

Esta fórmula se aplica tanto a líquidos como a gases en reposo cuando se considera densidad constante. Por eso la usamos para calcular la variación de la presión atmosférica con la altitud en el modelo de aire homogéneo.

7.1. Líneas isóbaras y vasos comunicantes

Si dos puntos están a la misma profundidad en un mismo líquido en reposo, sus presiones son iguales:

PA=PB P_A = P_B

La línea horizontal que une esos puntos se llama línea isóbara.

En los vasos comunicantes, el líquido busca nivelar las superficies libres porque, si el líquido es el mismo y la presión en la superficie libre es la atmosférica, todos los puntos situados a un mismo nivel horizontal deben tener la misma presión.

Cuidado

Errores frecuentes

  1. Confundir masa con peso. La densidad usa la masa; el peso específico usa el peso. Son magnitudes diferentes.
  2. Mezclar unidades sin convertir. Si la densidad está en g/cm3 \text{g/cm}^3 y la profundidad en metros, hay que convertir a kg/m3 \text{kg/m}^3 antes de calcular la presión en pascales.
  3. Usar la fuerza total en lugar de la componente perpendicular. En la fórmula de presión solo interviene la fuerza normal a la superficie.
  4. Creer que la presión hidrostática depende del área o de la forma del recipiente. Solo depende de ρ \rho , g g y h h .
  5. Olvidar la presión atmosférica al pedir presión absoluta. La presión en el fondo de un lago abierto es Patm+ρgh P_{\text{atm}} + \rho g h , no solo ρgh \rho g h .
  6. Confundir presión manométrica con presión absoluta. El manómetro mide la diferencia respecto a la atmósfera.
  7. Pensar que la presión atmosférica aumenta con la altitud. Al subir, la presión atmosférica disminuye.
  8. Creer que todos los puntos de un líquido tienen la misma presión. Solo los puntos a la misma profundidad en un mismo líquido en reposo tienen igual presión.
  9. Usar valores incorrectos de la presión atmosférica. A nivel del mar, Patm≈105 Pa P_{\text{atm}} \approx 10^5\text{ Pa} , no 10 Pa 10\text{ Pa} ni 1 Pa 1\text{ Pa} .
  10. Considerar que la variación de presión atmosférica con la altura es exactamente lineal en la atmósfera real. La densidad del aire cambia; el modelo de densidad constante es una aproximación para problemas introductorios.

Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1

Enunciado. Las densidades del aluminio y del hierro son 2,70 g/cm3 2,70\text{ g/cm}^3 y 7,86 g/cm3 7,86\text{ g/cm}^3 , respectivamente. Una esfera de hierro tiene 2,0 cm 2,0\text{ cm} de radio. Determine el radio de una esfera de aluminio que tiene la misma masa.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 2

Enunciado. Un bloque de concreto de 120 kg 120\text{ kg} descansa sobre una base rectangular de 60 cm 60\text{ cm} por 40 cm 40\text{ cm} . Calcule la presión que ejerce sobre el piso. Considere g=10 m/s2 g=10\text{ m/s}^2 .

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 3

Enunciado. Un lago de agua dulce tiene 27,5 m 27,5\text{ m} de profundidad. Determine la presión manométrica y la presión absoluta en el fondo. Use ρagua=1000 kg/m3 \rho_{\text{agua}} = 1000\text{ kg/m}^3 , g=9,8 m/s2 g=9,8\text{ m/s}^2 y Patm=101,3 kPa P_{\text{atm}} = 101,3\text{ kPa} .

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 4

Enunciado. Un turista se encuentra en una torre en un mirador ubicado a 150 m 150\text{ m} de altura y sube a otro mirador situado a 368 m 368\text{ m} . Considerando el aire como un fluido homogéneo de densidad 1,2 kg/m3 1,2\text{ kg/m}^3 , estime la variación de la presión atmosférica entre ambos miradores. Use g=10 m/s2 g=10\text{ m/s}^2 .

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Lo que viene

Hacia el siguiente tema

Con el dominio de la densidad y la presión en fluidos en reposo, ya puedes calcular la presión en cualquier punto de un líquido y comprender qué mide un manómetro. En el siguiente tema, Estática de fluidos 2, usarás estas ideas para estudiar el principio de Pascal, que explica cómo se transmite la presión en una prensa hidráulica, y el principio de Arquímedes, que explica la flotación de los cuerpos.

Ir al siguiente tema: Estática de fluidos 2

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Básico 5/6Intermedio 13/8Avanzado 5/6Total 23/20

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