Principios de la hidráulica: Precursores

Principios de la hidráulica: Precursores

Arquímides: (Siracusa, n.287-Siracusa, m.212 a C.) matemático griego, físico, ingeniero, inventor y astrónomo. Considerado uno de los científicos más importantes de la antigüedad clásica.

Principio de Arquímedes:

Éste explica la naturaleza de la flotabilidad: “Un cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta una fuerza ascendente igual al peso del líquido desplazado.”

El volumen de agua desplazada es idéntico al volumen de la parte sumergida del cuerpo. Un cubo de 1 metro de arista, totalmente sumergido, desplazará exactamente 1 m3 de agua. Si el peso de este m3 de agua fuese1,000 Kg, entonces el cubo experimentaría una fuerza ascendente de 1.000 Kg Si el peso del cubo fuese 900 Kg., la fuerza ascendente sería mayor, por lo que el cubo subiría hasta que el peso del agua desplazada sea 900 Kg. El cubo estaría parcialmente sumergido (estaría flotando) y el volumen sumergido desplazaría exactamente 900 Kg de agua. El cubo tiene flotabilidad positiva. Asimismo, si el peso del cubo fuese 1,000 Kg, la fuerza ascendente sería igual al peso del cubo, por lo que tendría una flotabilidad neutra.

Si el cubo pesara 1.100 Kg, la fuerza ascendente sería menor que su peso, por lo que se hundiría. En todo caso, dentro del agua el cuerpo está sometido a la fuerza ascendente de 1.000Kg, por lo que tendría un peso aparente de solo 100 Kg. El cuerpo tiene flotabilidad negativa.Ya hemos visto que la fuerza ascendente que actúa sobre un cuerpo parcial o totalmente sumergido es igual al peso del líquido desplazado. ¿De qué depende este peso? De la densidad del líquido y del volumen del cuerpo sumergido. El agua de mar es más densa que el agua dulce, por lo que 1 litro de agua de mar pesará más que 1 litro de agua dulce. Un buceador sumergido en agua de mar desplazará igual cantidad de agua que él mismo sumergido en agua dulce; sin embargo, puesto que el peso del agua de mar será mayor a la del agua dulce, el empuje (o fuerza ascendente) será mayor en el primer caso que en el segundo. Por tal razón será más fácil flotar en agua salada que en agua dulce.

Asimismo, un buceador con mayor volumen desplazará mayor cantidad de agua que uno de menor volumen. Cuando un buceador inmerso en el agua infla su chaleco compensador, lo que está haciendo es aumentar su volumen, sin modificar su peso. Al aumentar su volumen aumenta también el volumen de agua desplazado, por lo que aumenta su empuje y adquiere flotabilidad positiva. 

El cuerpo humano tiene una densidad similar a la del agua, por lo que puede decirse que tiene una flotabilidad neutra. Para nosotros es relativamente fácil hundirnos y salir a flote si sólo nos vestimos con trajes de baño. Sin embargo al utilizar un traje de buceo, nuestro volumen aumenta considerablemente, por lo que adquirimos flotabilidad positiva y se torna muy difícil sumergirnos. 

Por ello es necesario utilizar lastre adicional, de tal forma de volver a experimentar flotabilidad neutra o negativa.

Torema fundamental de la hidrostática:

PA -- PB = p * (hA --  hB)

                                                             

La diferencia de presión entre dos puntos ,dentro de una misma masa líquida es el producto del peso específico del líquido por la distancia vertical que los separa. Ésta es la razón por la cual dos puntos de un fluido a igual profundidad estarán a igual presión. Por el contrario, si la presión en ambos puntos no fuera la misma, existiría una fuerza horizontal desequilibrada y el líquido fluiría hasta hacer que la presión se igualara, alcanzando una situación de equilibrio.

*(el peso específico de una sustancia se define como su peso por unidad de volumen, se obtiene dividiendo un peso desconocido de la sustancia entre el volumen que se ocupa).

Fuerza de empuje o ascendente :

Cada vez que un cuerpo se sumerge en un líquido es empujado de alguna manera por el fluido. A veces esa fuerza es capaz de sacarlo a flote y otras sólo logra provocar una aparente pérdida de peso.

La presión hidrostática aumenta con la profundidad y también que se manifiesta mediante fuerzas perpendiculares a las superficies sólidas que contacta. Esas fuerzas no sólo se ejercen sobre las paredes del contenedor del líquido sino también sobre las paredes de cualquier cuerpo sumergido en él. La dirección vertical las fuerzas no se compensan: sobre la parte superior de los cuerpos actúa una fuerza neta hacia abajo, mientras que sobre la parte inferior, una fuerza neta hacia arriba. Como la presión crece con la profundidad, resulta más intensa la fuerza sobre la superficie inferior. Concluimos entonces que: sobre el cuerpo actúa una resultante vertical hacia arriba que llamamos empuje.

- Para que un cuerpo sumergido en un líquido este en equilibrio, la fuerza de empuje y el peso han de ser iguales en magnitudes.

- Si un cuerpo sumergido sale a flote es porque el empuje predomina sobre el peso.

Giovanni Battista Venturi (1746-1822): físico italiano que descubrió el efecto Venturi.

Efecto Venturi: Consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de sección menor. Si en este punto del tubo se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido contenido en este segundo conducto.

Tubo de Venturi:

Un tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. La aplicación clásica de medida de velocidad de un fluido consiste en un tubo formado por dos secciones cónicas unidas por un tubo estrecho en el que el fluido se desplaza consecuentemente a mayor velocidad. La presión en el tubo Venturi puede medirse por un tubo vertical en forma de U conectando la región ancha y la canalización estrecha. La diferencia de alturas del líquido en el tubo en U permite medir la presión en ambos puntos y consecuentemente la velocidad.

Cuando se utiliza un tubo de Venturi hay que tener en cuenta un fenómeno que se denomina cavitación. Este fenómeno ocurre si la presión en alguna sección del tubo es menor que la presión de vapor del fluido. Para este tipo particular de tubo, el riesgo de cavitación se encuentra en la garganta del mismo, ya que aquí, al ser mínima el área y máxima la velocidad, la presión es la menor que se puede encontrar en el tubo. Cuando ocurre la cavitación, se generan burbujas localmente, que se trasladan a lo largo del tubo. Si estas burbujas llegan a zonas de presión más elevada, pueden colapsar produciendo así picos de presión local con el riesgo potencial de dañar la pared del tubo.

*Video en Inglés

Blais Pascal

Precursor de la hidroestática. 

En base a la estructura de los fluidos, se sabe que hay presiones que actúan en ella, a diferencia de lo que ocurre en los sólidos, que transmiten fuerzas. Esta situación fue descubierta por el físico francés Blais Pascal  (1623-1662) , quien estableció el siguiente principio:

..un cambio de presión aplicado a un fluido en reposo dentro de un recipiente se transmite sin alterarse a través de todo el fluido. Es igual en todas las direcciones y actúa mediante fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen..

Un ejemplo relacionado con este principio es la "prensa hidráulica", la cual básicamente, nos permite prensar, levantar pesos o estampar metales ejerciendo fuerzas pequeñas.

  Como sabemos presión es igual a la fuerza ejercida por unidad de area, y la caracteristica de este ejemplo es que la presion 1 es igual a la presión 2, y esto porque la presión interna es la misma para todos los puntos, asintiendo al principio de Pascal.

Teorema de Bernoulli

Precursor de la hidrodinámica .

  El físico suizo Daniel Bernoulli en 1738 encontró la relación fundamental entre la presión, la altura y la velocidad de un fluido ideal. El teorema de Bernoulli dice que estas variables no pueden modificarse independientemente una de la otra, sino que están determinadas por la energía mecánica del sistema...

   Un ejemplo de este teorema es el comportamiento de un fluido que pasa por una cañería, donde en un intervalo de tiempo, el fluido esta en una posición con respecto a la cañería, y en otro intervalo, se encontraría en otra.

Existen fuerzas en un comienzo(f1) en relación a una superficie(A1)y a una altura(h1), la cual va en la misma dirección del movimiento del fluido, pero hay otra fuerza(f2) en relación a un área(A2) y a una altura(h2) que va en contra del sentido del flujo.

Se habla de una "ley de conservación del caudal", ya que el volumen que pasa por el punto uno en un intervalo de tiempo, es el mismo que pasa por el punto 2, en otro intervalo de tiempo.1 y 2 son puntos cualesquiera dentro de la tubería, Bernoulli pudo demostrar que la presión, la velocidad y la altura de un fluido que circula varían siempre manteniendo una cierta cantidad constante, dada por:

p + 1/2. d . V² + d. g. h = constante