el baúl de las ideas (física)

miércoles, 21 de septiembre de 2016

PRESION

La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:

$p={\frac {F}{A}}$ $p={\frac {F}{A}}$

En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:

$p={\frac {d{\mathbf {F}}_{A}}{dA}}\cdot {\mathbf {n}}$ $p={\frac {d{\mathbf {F}}_{A}}{dA}}\cdot {\mathbf {n}}$

Donde

\scriptstyle {\mathbf {n}}

es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. La definición anterior puede escribirse también como:

$p={\frac {d}{dA}}\int _{S}\mathbf {f} \cdot \mathbf {n} \ dS$ $p={\frac {d}{dA}}\int _{S}\mathbf {f} \cdot \mathbf {n} \ dS$

donde:

\mathbf {f}

, es la fuerza por unidad de superficie.

{\mathbf {n}}

, es el vector normal a la superficie.

A\,

, es el área total de la superficie S.

Presión absoluta y relativa[editar]

En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa,presión normal, presión de gauge o presión manométrica.

Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica (P_a) más la presión manométrica (P_m) (presión que se mide con el manómetro).

$P_{ab}=P_{a}+P_{m}$ $P_{ab}=P_{a}+P_{m}$

Presión hidrostática e hidrodinámica[editar]

Artículo principal: Presión en un fluido

En un fluido en movimiento la presión hidrostática puede diferir de la llamada presión hidrodinámica por lo que debe especificarse a cual de las dos se está refiriendo una cierta medida de presión.

Presión de un gas[editar]

En el marco de la teoría cinética la presión de un gas es explicada como el resultado macroscópico de las fuerzas implicadas por las colisiones de las moléculas del gas con las paredes del contenedor. La presión puede definirse por lo tanto haciendo referencia a las propiedades microscópicas del gas:

Para un gas ideal con N moléculas, cada una de masa m y moviéndose con una velocidad aleatoria promedio v_rms contenido en un volumen cúbico V las partículas del gas impactan con las paredes del recipiente de una manera que puede calcularse de manera estadística intercambiando momento lineal con las paredes en cada choque y efectuando una fuerza neta por unidad de área que es la presión ejercida por el gas sobre la superficie sólida.

La presión puede calcularse entonces como

$P={Nmv_{rms}^{2} \over 3V}\qquad ,$ $P={Nmv_{rms}^{2} \over 3V}\qquad ,$ (gas ideal)

Este resultado es interesante y significativo no solo por ofrecer una forma de calcular la presión de un gas sino porque relaciona una variable macroscópica observable, la presión, con la energía cinética promedio por molécula, 1/2 mv_rms², que es una magnitud microscópica no observable directamente. Nótese que el producto de la presión por el volumen del recipiente es dos tercios de la energía cinética total de las moléculas de gas contenidas.

Propiedades de la presión en un medio fluido[editar]

Manómetro.

La fuerza asociada a la presión en un fluido ordinario en reposo se dirige siempre hacia el exterior del fluido, por lo que debido al principio de acción y reacción, resulta en una compresión para el fluido, jamás una tracción.
La superficie libre de un líquido en reposo (y situado en un campo gravitatorio constante) es siempre horizontal. Eso es cierto solo en la superficie de la Tierra y a simple vista, debido a la acción de la gravedad constante. Si no hay acciones gravitatorias, la superficie de un fluido es esférica y, por tanto, no horizontal.
En los fluidos en reposo, un punto cualquiera de una masa líquida está sometida a una presión que es función únicamente de la profundidad a la que se encuentra el punto. Otro punto a la misma profundidad, tendrá la misma presión. A la superficie imaginaria que pasa por ambos puntos se llama superficie equipotencial de presión o superficie isobárica.

Aplicaciones[editar]

Frenos hidráulicos[editar]

Muchos automóviles tienen sistemas de frenado antibloqueo (ABS, siglas en inglés) para impedir que la fuerza de fricción de los frenos bloqueen las ruedas, provocando que elautomóvil derrape. En un sistema de frenado antibloqueo un sensor controla la rotación de las ruedas del coche cuando los frenos entran en funcionamiento. Si una rueda está a punto de bloquearse los sensores detectan que la velocidad de rotación está bajando de forma brusca, y disminuyen la presión del freno un instante para impedir que se bloquee. Comparándolo con los sistemas de frenado tradicionales, los sistemas de frenado antibloqueo consiguen que el conductor controle con más eficacia el automóvil en estas situaciones, sobre todo si la carretera está mojada o cubierta por la nieve.

Refrigeración[editar]

La refrigeración se basa en la aplicación alternativa de presión elevada y baja, haciendo circular un fluido en los momentos de presión por una tubería. Cuando el fluido pasa de presión elevada a baja en el evaporador, el fluido se enfría y retira el calor de dentro del refrigerador.

Como el fluido se encuentra en un ciclo cerrado, al ser comprimido por un compresor para elevar su temperatura en el condensador, que también cambia de estado a líquido a alta presión, nuevamente está listo para volverse a expandir y a retirar calor (recordemos que el frío no existe es solo una ausencia de calor).

Neumáticos de los automóviles[editar]

Se inflan a una presión de 206 842 Pa, lo que equivale a 30 psi (utilizando el psi como unidad de presión relativa a la presión atmosférica). Esto se hace para que los neumáticos tengan elasticidad ante fuertes golpes (muy frecuentes al ir en el automóvil). El aire queda encerrado a mayor presión que la atmosférica dentro de las cámaras (casi 3 veces mayor), y en los neumáticos más modernos entre la cubierta de caucho flexible y la llanta que es de un metal rígido.

Presión ejercida por los líquidos[editar]

La presión que se origina en la superficie libre de los líquidos contenidos en tubos capilares, o en gotas líquidas se denomina presión capilar.

Se produce debido a la tensión superficial. En una gota es inversamente proporcional a su radio, llegando a alcanzar valores considerables.

Por ejemplo, en una gota de mercurio de una diezmilésima de milímetro de diámetro hay una presión capilar de 100 atmósferas. La presión hidrostática corresponde al cociente entre la fuerza normal F que actúa, en el seno de un fluido, sobre una cara de un cuerpo y que es independiente de la orientación de esta.

Depende únicamente de la profundidad a la que se encuentra situado el elemento considerado. La de un vapor, que se encuentra en equilibrio dinámico con un sólido o líquido a una temperatura cualquiera y que depende únicamente de dicha temperatura y no del volumen, se designa con el nombre de presión de vapor o saturación.

Véanse también: Presión hidrostática y Prensa hidráulica.

Unidades de medida, presión y sus factores de conversión[editar]

La presión atmosférica media es de 101 325 pascales (101,3 kPa), a nivel del mar, donde 1 atm = 1,01325 bar = 101325 Pa = 1,033 kgf/cm² y 1 m.c.a = 9,81 kPa.

Unidades de presión y sus factores de conversión
	Pascal	bar	N/mm²	kp/m²	kp/cm²	atm	Torr	PSI
1 Pa (N/m²)=	1	10⁻⁵	10⁻⁶	0,102	0,102×10⁻⁴	0,987×10⁻⁵	0,0075	0,00014503
1 bar (10N/cm²) =	10⁵	1	0,1	10200	1,02	0,987	750	14,5036
1 N/mm² =	10⁶	10	1	1,02×10⁵	10,2	9,87	7500	145,0536
1 kp/m² =	9,81	9,81×10⁻⁵	9,81×10⁻⁶	1	10⁻⁴	0,968×10⁻⁴	0,0736	0,001422
1 kp/cm² =	9,81x10⁴	0,981	0,0981	10000	1	0,968	736	14,22094
1 atm (760 Torr) =	101325	1,01325	0,1013	10330	1,033	1	760	14,69480
1 Torr (mmHg) =	133,32	0,0013332	1,3332×10⁻⁴	13,6	1,36x10⁻³	1,32x10⁻³	1	0,019336
1 PSI (libra / pulgada cuadrada) =	6894,75729	0,068948	0,006894	703,188	0,0703188	0,068046	51,7149	1

Las obsoletas unidades manométricas de presión, como los milímetros de mercurio, están basadas en la presión ejercida por el peso de algún tipo estándar de fluido bajo cierta gravedad estándar. Las unidades de presión manométricas no deben ser utilizadas para propósitos científicos o técnicos, debido a la falta de repetibilidad inherente a sus definiciones. También se utilizan los milímetros de columna de agua.

LEY DE HOOKE Y EJERCICIOS

La Ley de Hooke

El físico inglés en los años de 1968 y 1969 anunciaría esta ley como la ley de la proporcionalidad entre las deformaciones elásticas de un cuerpo y los esfuerzos a los que está sometido.

Matemáticamente se expresa mediante la siguiente forma:

$\displaystyle F=k\cdot x$

Dónde:

$\displaystyle F$ = Fuerza que ejerce el resorte

$\displaystyle k$ = Constante de proporcionalidad

$\displaystyle x$ = Posición a la que se estira el resorte.

En la mayoría de los casos, la fórmula la encontraremos con un signo negativo, el signo negativo indica cuando el resorte se encuentra comprimido, y será positivo cuando el resorte esté estirado.

Sería interesante hablar más de este tema, sin embargo lo dejaremos para el tema del Módulo de Young.

Por ahora, veamos algunos ejercicios.

Ejemplos Resueltos de la Ley de Hooke

1.- Si a un resorte se le cuelga una masa de 200 gr y se deforma 15 cm, ¿cuál será el valor de su constante?

Solución: Para poder resolver el problema, convirtamos las unidades dadas a unidades del Sistema Internacional, quedando así:

$\displaystyle m=200gr\left( \frac{1kg}{1000gr} \right)=0.20kg$

$\displaystyle x=15cm\left( \frac{1m}{100cm} \right)=0.15m$

$\displaystyle g=9.8\frac{m}{{{s}^{2}}}$

El problema nos proporciona una masa, pero hace falta una fuerza para poder realizar los cálculos, entonces multiplicamos la masa por la acción de la aceleración de la gravedad para obtener el peso, que finalmente es una fuerza.

$\displaystyle F=w=m\cdot g=\left( 0.20kg \right)\left( 9.8\frac{m}{{{s}^{2}}} \right)=1.96N$

Ahora solo queda despejar ” k ” en la fórmula de la Ley de Hooke.

$\displaystyle k=\frac{F}{x}$

Sustituyendo nuestros datos en la fórmula, tenemos:

$\displaystyle k=\frac{F}{x}=\frac{1.96N}{0.15m}=13.06\frac{N}{m}$

Veamos otro ejemplo:

2.- Una carga de 50 N unida a un resorte que cuelga verticalmente estira el resorte 5 cm. El resorte se coloca ahora horizontalmente sobre una mesa y se estira 11 cm. a) ¿Qué fuerza se requiere para estirar el resorte esta cantidad?

Solución: Primeramente se debe considerar que el problema nos implica dos etapas, en la primera debemos saber de que constante elástica se trata, para así en la segunda etapa resolver la fuerza necesaria cuando el resorte esté horizontalmente y finalmente poder graficar.

Necesitamos conocer el valor de ” k ” cuando nuestro sistema se encuentra de manera vertical, entonces despejamos y sustituimos nuestros datos:

$\displaystyle k=\frac{F}{x}=\frac{50N}{0.05m}=1000\frac{N}{m}$

Ahora pasamos a encontrar el valor de nuestra fuerza, esto ocurrirá cuando nuestro resorte esté de manera horizontal, entonces.

$\displaystyle F=kx=\left( 1000\frac{N}{m} \right)\left( 0.11m \right)=110N$

Esto quiere decir, que nuestro resorte necesita de 110 N, para poder estirarse 11 cm de su posición normal.

EJERCICIOS DE ELASTICIDAD

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR BOLIVAR NOMBRE: DIEGO VALAREZO ...

ELASTICIDAD

ELASTICIDAD
Cuando una fuerza se aplica a un cuerpo, le produce una deformación. El esfuerzo origina la deformación elástica.

Limite elástico

Cuando una fuerza se aplica a un cuerpo, le produce una deformación. El esfuerzo origina la deformación elástica.

Limite elástico es el esfuerzo máximo que un cuerpo pueda resistir sin perder sus propiedades elásticas.

Le=F/A

Donde Le= limite elástico en N/m2

Fm= fuerza máxima en Newtons (N)

A= Área de la sesión transversal en metros cuadrados(m2).

Existen tres tipos de esfuerzo:

Esfuerzo de tensión: Se presenta cuando sobre un cuerpo actúan fuerzas de igual magnitud, pero de sentido contrario que se alejan entre sí.

Esfuerzo de compresión: Ocurre cuando sobre un cuerpo actúan fuerzas iguales en magnitud, pero de sentido contrario que se acercan entre sí.

Esfuerzo de Corte: Se presenta cuando sobre un cuerpo actúan fuerzas colineales de igual o diferente magnitud que se mueven en sentidos contrarios.

Para la elasticidad-esfuerzo y deformación se aplica dicha fórmula:

E= Esfuerzo

E=F/A F=Fuerza

A= Área donde se aplica la fuerza (m²)

Ley de Hooke

Las deformaciones elásticas como alargamientos, compresiones, torsiones y flexiones, fueron estudiadas por el físico inglés, Robert Hooke, quien enuncio la siguiente ley:

Mientras no se exceda el límite de elasticidad de un cuerpo, la deformación elástica que sufre es directamente proporcional al esfuerzo recibido.

La fórmula aplicada a la ley de Hooke es: F= k.x

F=fuerza k=constante x=alargamiento

Con un resorte y una regla, como se aprecia en la figura, se comprueba la ley de Hooke. Al poner una pesa de 20 g. el resorte se estira 1 cm, pero si la pesa cambia por una de 40, el resorte se estirara 2 cm y así sucesivamente.

Módulo de elasticidad

Módulo de elasticidad es el cociente entre el esfuerzo (fuerza) aplicado a un cuerpo y la deformación producida en dicho cuerpo, su valor es constante siempre que no exceda el límite elástico del cuerpo. Por tanto:

K= Módulo de elasticidad= 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜/𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ón.

Módulo de Young

El módulo de Young es una propiedad característica de la sustancia sólida, conocer su valor nos permitirá calcular la deformación que sufrirá un cuerpo solido al someterse a un esfuerzo.

Por ejemplo, al colocar diferentes pesos (esfuerzos) en un resorte, sus alargamientos (deformaciones) fueron

Estados de agregación

ESTADOS DE AGREGACIÓN

En física y química se observa que, para cualquier sustancia o mezcla, modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.
Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes; Todo en el Universo está formado por materia. La materia se puede encontrar en 3 estados de agregación o estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. Sus propiedades son:

PLASMA

El plasma presenta características propias que no se dan en los sólidos, líquidos o gases, por lo que es considerado otro estado de agregación de la materia. Como el gas, el plasma no tiene una forma o volumen definido, a no ser que esté encerrado en un contenedor; pero a diferencia del gas en el que no existen efectos colectivos importantes, el plasma bajo la influencia de un campo magnético puede formar estructuras como filamentos, rayos y capas dobles.