Guia fisica 11joseangeluruetaperez

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Guia fisica 11joseangeluruetaperez

  1. 1. UNIDAD 1. Mecánica de fluidosM Hidrostática Estudia a los fluidos en reposoEC AnalizandoA Densidad AplicandoN Principio de Pascal Presión Principio de Arquímedes Presión hidrostáticaICAD Hidrodinámica Estudia a los fluidos en movimientoE Se divide en AnalizandoF Velocidad AplicandoL Ecuación de continuidad Caudal Variación de presión Ecuación de BernoulliU Teorema de TorricelliID Neumática Estudia a los gasesOS Estudia las aplicaciones técnicas de la Hidráulica mecánica de fluidos 1
  2. 2. 1.1 Hidrostática La hidrostática estudia a los fluidos considerados en reposo o equilibro. Ejemplos asociados con fluidos en reposo podemos mencionar a las aguas de un lago, una piscina o un estanque; también puede ser aceite, petróleo, alcohol, miel o cualquier otro fluido similar almacenado en un recipiente. Antes de continuar se aclara que un fluido es toda sustancia liquida o gaseosa que es capaz de desplazarse fácilmente al cambiar de forma bajo la acción de pequeñas fuerzas. Actividad 1 Consulta sobre las siguientes características de los fluidos: Forma, Volumen, Compresibilidad, Viscosidad y Cohesión. Además explique a que se le denomina un FLUIDO IDEAL Para estudiar a los fluidos en reposo se consideran las siguientes variables Densidad absoluta Se refiere a la razón entre la masa de una sustancia y su volumen. Se calcula con la expresión Se mide en Actividad 2 Utiliza factores de conversión para averiguar cuantos en 1 A continuación se muestran las densidades absolutas de diferentes sustancias Sustancia Densidad en Agua 1.000 Hielo 920 Agua de mar 1.025 Mercurio 13.600 Aire 1,29 Bronce 8.600 Cobre 8.900 Hierro 7.800 Alcohol etílico 810 Glicerina 1.260 Plata 10.500 Plomo 11.300 Oro 19.300 Tabla 1 Actividad 3 ¿Cómo se puede determinar la densidad de una piedra utilizando un vaso precipitado y una balanza? Presión La presión es la magnitud de la razón de la fuerza perpendicular ejercida sobre el área de una superficie. Se calcula con la expresión Sistema Nombre Equivalencia Símbolo Se mide en 2 MKS Pascal N/m Pa 2 CGS baria din/cm baria 2
  3. 3. Actividad 4 Consulta la equivalencia entre 1 bar y barias. Entre 1 atm y Pa. PSI y atm Ejemplo1 Calcula la presión que ejerce el bloque de 600 g mostrado sobre el piso en cada una de las posiciones mostradas ¿Qué se puede concluir de los resultados obtenido? 6cm 10cm6cm Posición A Posición B Solución: Para la posición A El área de contacto con el piso es: y la fuerza perpendicular al piso corresponde con el peso del bloque . Entonces la presión es: Para la posición B El área de contacto con el piso es: Entonces la presión es: Conclusión _______________________________________________________________________ Presión Hidrostática Es la presión que ejerce todo fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene. Esta presión depende directamente de la profundidad, la densidad del fluido y la aceleración de gravedad. Matemáticamente se expresa como: La figura muestra que si se sumerge un cuerpo a una profundidad determinada en un fluido específico h experimentará la misma presión en todas las direcciones 3
  4. 4. Actividad 5 Calcule la profundidad a la que se debe sumergir un buzo en agua de mar para esoportar una presión hidrostática que sea del doble de la que experimenta si se sumerge en unapiscina de 5m de profundidad que contiene alcohol etílico. Ejemplo 2 Calcula la densidad de un fluido en el cual se ha sumergido a 4m de profundidad unobjeto que experimenta una presión hidrostática que es la mitad de la que soporta al sersumergido en agua a una profundidad de 18m Solución:La mejor manera de solucionar este tipo de situaciones es establecer una relación matemática entre laspresiones hidrostáticas de las dos sustancias para despejar la variable desconocida.Matemáticamente: ahora se remplazan las variables en cada lado de la igualdad así:Despejamos la variable desconocida que es y se tiene que:O bien Presión hidrostática TotalSe refiere a la presión real que soporta un cuerpo sumergido en un fluido cuando se tiene en cuenta elefecto de la presión externa por encima del nivel del fluido. Generalmente la presión externa suele ser lapresión atmosférica. MatemáticamenteEjemplo 3 Calcula la presión total que experimenta un joven llamado Peter La Anguilasumergido a 4 m en una piscina que contiene agua. Sí la piscina se encuentra en la ciudad de 2Cartagena cuya presión atmosférica es de 101.300 N/m Aire Agua 4m 4
  5. 5. Actividad 6 Consulte todo sobre el experimento que realizó Torricelli en 1644 relacionado conel cálculo de la presión atmosférica y que hubiese pasado si en vez de utilizar mercuriohubiese usado agua.Actividad 7 Consulte la diferencia que existe entre un MANOMETRO y un BAROMETRO El principio de Pascal Este principio establece que “En un líquido confinado, la variación de presión en punto se transmite con la misma magnitud a todos los demás puntos de dicho fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene”. La presión ejercida en lado izquierdo se transmite por igual por todo el recipiente Una aplicación de este principio lo constituye la prensa hidráulica que es un dispositivo mecánico que obtiene una gran ventaja mecánica al realizar un trabajo. Este dispositivo es el elemento activo de gatos hidráulicos, grúas, excavadoras, volquetas, sistemas de frenos en los automóviles y trenes, sistemas de dirección en los aviones y timones de las grandes embarcaciones, etc. Una prensa hidráulica consta de de dos cilindros conectados entre sí. Cada cilindro tiene un diámetro diferente. Al aplicar un fuerza sobre un de los émbolos de un cilindro determinado se transmite la misma presión por todo el liquido lo que obliga a subir al émbolo del otro cilindro y se realiza de esta forma un trabajo. F2 Sean A1 y A2 las áreas transversales de los cilindros y como la presión en los émbolos 1 F1 y 2 son iguales se establece que: Luego: A2 A1 Esta relación representa la ventaja mecánica de la prensa hidráulica Actividad 8 Sobre un émbolo de 2m de diámetro de una prensa hidráulica se coloca un auto de 800 kg ¿Cuánta fuerza debe hacerse en el otro émbolo de 20 cm de diámetro para empezar a levantar el auto? y ¿Cuánto vale la ventaja mecánica de esta prensa hidráulica? 5
  6. 6. Ejemplo 4 Un estudiante de undécimo grado del Colegio San Rafael Arcángel decideconstruir una prensa hidráulica que tenga una ventaja mecánica de 10. Toma una jeringa cuyoembolo es de 4cm de diámetro y desea averiguar la magnitud del diámetro de la segundajeringaSolución:La información que se dispone para esta situación es la siguiente:Ventaja Mecánica; VM = 10 2 2Radio del émbolo 1; R1 = 2 cm entonces su área es A1 = π (2 cm) =4 π cm 2Radio del émbolo 2; R2 =? Entonces su área es A2 = π (R2) La ecuación asociada con la ventaja mecánica de la prensa hidráulica puede ser una razón deárea o una razón de fuerzas. En nuestro caso la podemos expresar como una razón de áreas parapoder determinar la magnitud del radio del segundo émbolo así: Sustituyendo el valor de las variables se tiene: Y se despeja a R2Entonces el diámetro del segundo embolo es El principio de ArquímedesEste principio establece que “Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un liquido experimentauna fuerza ascendente denominada empuje que es igual al peso del volumen del liquido desalojado”Dicha fuerza de empuje es directamente proporcional a la densidad del líquido, a la aceleración degravedad y al volumen sumergido. Matemáticamente se expresa como: Siendo h En la figura anterior se muestra que al introducir el cilindro dentro del recipiente con líquido, se produce una diferencia de nivel cuya altura multiplicada por el área transversal del recipiente representa el volumen del solido sumergido ó el volumen del líquido desplazado. 6
  7. 7. Ejemplo 5 Un cuerpo que pesa 1.000 N en el aire, pesa solamente 800 N en el agua. Calcularel volumen y la densidad del cuerpo.Solución:Los datos asociados con esta situación son:Para este caso se cumple que Ó bienEntonces Como se puede despejar lavariable del volumen del cuerpo así:Utilizando el concepto de densidad se puede utilizar para hallar la densidad del cuerpoActividad 9 Un cuerpo pesa a 100N en el aire, 90 N en el agua y 80N en un líquido.Determinar el volumen del cuerpo, la densidad del cuerpo y la densidad del líquido.Actividad 10 Se introduce en agua una esfera de cobre de 8 cm de diámetro colgada de undinamómetro. Determinaa) ¿Cuál es el empuje que experimenta la esfera?b) ¿Qué lectura señala el dinamómetro al sumergir la esfera? 7
  8. 8. Taller 1.1 1. 8
  9. 9. 1.2 Hidrodinámica La hidrodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que se encarga de estudiar a los fluidos en movimiento. 9
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