Presión; tensión; carga; empuje (del agua); impulso.
Estados de la Materia y Principios de Presión: Resumen Actualizado
La materia se presenta en tres estados fundamentales: sólido, líquido y gaseoso, cada uno con características únicas. Un sólido tiene forma y volumen definidos, mientras que un líquido tiene volumen constante pero adopta la forma del recipiente. Por otro lado, un gas no tiene forma ni volumen definidos, expandiéndose para ocupar completamente el espacio disponible. (Ver recursos relacionados)
Características de Sólidos, Líquidos y Gases
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Sólidos:
- Fuerzas cohesivas fuertes y estables.
- Volumen y forma definidos.
- Ejemplo: Un lápiz mantiene su forma a menos que se rompa.
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Líquidos:
- Fuerzas cohesivas más débiles.
- Volumen constante, pero forma variable según el recipiente.
- Ejemplo: El agua adopta la forma del frasco en el que se vierte.
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Gases:
- Fuerzas cohesivas prácticamente inexistentes.
- Sin forma ni volumen definidos, ocupando el espacio disponible.
- Ejemplo: El oxígeno no tiene forma observable.
Los fluidos (líquidos y gases) son sustancias cuyas moléculas se mantienen unidas por fuerzas cohesivas débiles y fuerzas ejercidas por el recipiente que las contiene.
Concepto de Presión
La presión es la fuerza ejercida por unidad de área sobre una superficie y se define matemáticamente como:
Donde:
- P: Presión
- F: Fuerza
- A: Área
Cuando se habla de presión en hidrostática, se trata en general, no de una presión total, sino de una presión referida a la unidad de superficie.
Muchas veces habremos observado los siguientes fenómenos:
a) Que en un terreno fangoso se hunden menos los tacos de los zapatos de hombre que los de mujer (suponiendo que ambos pesen igual) (ver figura 1);
Figura 1. Observe cómo a menor superficie se produce mayor presión (a y b). Es más fácil cortar manteca con el filo del cuchillo que con el canto (c).
b) En la arena podemos enterrar fácilmente un dedo, pero se hace mucho más difícil hundir la mano de plano (aplicando la misma fuerza);
c) El niño que se para sobre la cama produce más hundimiento en el colchón que cuando está acostado; sin embargo, la fuerza actuante (peso) es la misma en ambos
casos (fig. 1);
Figura 2. El doble rodado aumenta la superficie y disminuye la presión.
d) Al cortar queso o manteca con un cuchillo, notamos que el proceso es mucho más fácil aplicando el filo que el lomo; en caso de aplicarlo de plano, no se logra hacer el corte.
De estos ejemplos logramos una deducción inmediata: al aplicar la misma fuerza se obtiene distinto efecto, según la superficie en que actúe dicha fuerza, de lo cual surge la siguiente definición de presión:
Se llama presión al cociente entre la fuerza aplicada y la superficie sobre la que actúa perpendicularmente.
Figura 3. Para igual superficie a mayor fuerza, mayor presión.
Figura 4. Para igual superficie: a mayor fuerza. mayor presión.
Por lo tanto, la presión es directamente proporcional a la fuerza aplicada.
En la figura 3 representarnos cuerpos de distinto peso e igual superficie.
De la expresión :
también resulta que la presión es inversamente proporcional a la superficie (fig.4).
Ejemplo. El mismo cuerpo de la figura 6 (forma de cono truncado: balde) se coloca, según sus distintas bases, sobre el piso.
¿Ejercen la misma presión? No, pues al variar la superficie se modifica la presión, a pesar de ser el mismo peso (fuerza).
¿Cuándo nos hundirnos más, al atravesar un cantero recién regado, apoyando todo el pie o cuando lo hacemos en puntas de pie? (figura 5).
Figura 5. El zapato se hunde más cuando sólo apoya la punta.
Figura 6. Las fuerzas o pesos son iguales, pero como las superficies son distintas, las presiones son diferentes
Unidades de Presión
La presión se mide en diversas unidades:
- Pascal (Pa): Unidad estándar (1 Pa = 1 N/m²).
- atm: Atmósferas (1 atm = 101,325 Pa).
- psi: Libras por pulgada cuadrada (1 psi ≈ 6894.76 Pa).
- mmHg y cm de agua: Utilizadas en aplicaciones específicas.
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La baria es la unidad de presión en el sistema CGS y equivale a la presión ejercida por una fuerza de una dina sobre una superficie de un centímetro cuadrado.
El milibar (mbar) es una unidad utilizada para medir la presión atmosférica y equivale a 100 pascales (Pa) en el sistema SI.
Su relación con la presión en milímetros de mercurio es aproximadamente:
1 mbar ≈ 0,75006 mmHg.
Ejemplo de Presión en la Vida Cotidiana
- Una mujer con tacones puntiagudos ejerce mayor presión sobre el suelo que con tacones anchos, ya que la fuerza se concentra en un área menor.
Presión Absoluta, Relativa y Diferencial
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Presión Absoluta: Se mide respecto al cero absoluto (vacío total). Incluye la presión atmosférica y cualquier presión adicional. Ejemplo: El uso de un barómetro para medir presión atmosférica.
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Presión Relativa (Gauge): Se mide respecto a la presión atmosférica local. Ejemplo: La presión en neumáticos.
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Presión Diferencial: Es la diferencia entre dos presiones. Ejemplo: Se usa para medir caudales en tuberías y detectar obstrucciones.
Presión Hidrostática
La presión hidrostática es la presión ejercida por un líquido en reposo debido a su peso. Depende de la densidad del líquido, la gravedad y la profundidad:
Donde:
- ρ: Densidad del líquido.
- g: Aceleración de la gravedad.
- h: Altura de la columna de líquido.
Ejemplo práctico: Al bucear, sentimos más presión en los oídos a medida que descendemos debido a la mayor columna de agua sobre nosotros.
Principio de Pascal
El Principio de Pascal establece que un cambio en la presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente.
Ejemplo práctico:
- Prensa hidráulica: Un pequeño esfuerzo aplicado sobre un pistón pequeño puede generar una gran fuerza en un pistón mayor, aprovechando la transmisión uniforme de la presión.
Fuerza de Flotación y Principio de Arquímedes
El Principio de Arquímedes describe la fuerza hacia arriba, llamada fuerza de flotación, que un fluido ejerce sobre un objeto sumergido. La magnitud de esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado:
Donde V es el volumen del fluido desplazado.
Ejemplo: Un objeto parece más ligero en el agua debido a la fuerza de flotación. Si el peso del objeto es menor que la fuerza de flotación, este flotará.
Presión Atmosférica
Figura : Presión atmosférica
La presión atmosférica es la fuerza que ejerce el aire de la atmósfera terrestre sobre una unidad de área. A nivel del mar, su valor es aproximadamente:
- 760 mmHg
- 101,325 Pa (1 atm)
- 14.7 psi
A medida que la altitud aumenta, la presión atmosférica disminuye porque hay menos masa de aire sobre la superficie. Esto afecta procesos como la combustión en motores o el rendimiento físico humano.
Presión en los líquidos
Los líquidos son prácticamente incompresibles, lo que significa que su volumen varía muy poco al aplicar presión. Además, debido a la movilidad de sus moléculas, transmiten la presión en todas direcciones, de acuerdo con el Principio de Pascal. Este principio establece que un cambio de presión aplicado a un fluido incompresible en equilibrio se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene.
Para demostrarlo, se utiliza un tubo de cristal A (ver figura), cerrado por una cápsula de caucho c y conectado mediante un tubo de goma T con un recipiente V lleno de agua, formando un sistema cerrado.
Al llenar el sistema con agua, se observa que la cápsula c se hincha, lo que confirma que el líquido ejerce una fuerza en todas las direcciones. Este efecto ocurre independientemente de la orientación del tubo, como se observa en A, A1, A2 y A3.
En A4, la cápsula c no está conectada con el agua del recipiente V, por lo que no hay transmisión de presión y no se deforma.
Aplicaciones de la Presión en la Medición de Niveles
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Presión Hidrostática: Se utiliza para medir niveles de líquidos en tanques abiertos mediante la presión generada por la altura de la columna de líquido.
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Presión Diferencial: Se utiliza en tanques presurizados o sistemas cerrados, comparando la presión en dos puntos.
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Manómetros: Dispositivos que miden la presión relativa, útil para monitorear niveles y presiones en sistemas industriales.
Fluidos y Comportamiento de la Presión
Los fluidos ejercen presión en todas las direcciones. La presión en un fluido depende únicamente de la profundidad y no de la forma del recipiente. Esto fue demostrado por Blaise Pascal con su experimento del barril: al agregar una pequeña cantidad de agua en un tubo largo conectado al barril, la presión transmitida hizo explotar el recipiente.
Importancia del Estudio de la Presión
- Industria: Medición de presiones en sistemas hidráulicos, neumáticos y de transporte de fluidos.
- Medicina: Uso de barómetros para medir la presión arterial y pulmonar.
- Ingeniería: Diseño de estructuras y equipos resistentes a la presión.
- Aviación: Control de presiones a diferentes altitudes para garantizar el rendimiento de aeronaves.
El estudio de los estados de la materia y los principios de presión es esencial para comprender cómo interactúan los fluidos en distintas condiciones. Desde la presión atmosférica hasta la hidrostática y la fuerza de flotación, estos conceptos tienen aplicaciones prácticas en ingeniería, industria, ciencia y vida cotidiana. El Principio de Pascal y el Principio de Arquímedes continúan siendo fundamentales en tecnologías como la prensa hidráulica, medición de niveles y aplicaciones en fluidos.
Estos principios explican fenómenos naturales y permiten diseñar sistemas eficientes que aprovechan las propiedades de los sólidos, líquidos y gases.
Términos destacados :
- Estados de la materia (States of matter)
- Sólidos (Solids)
- Líquidos (Liquids)
- Gases (Gases)
- Fuerzas cohesivas (Cohesive forces)
- Fluidos (Fluids)
- Presión (Pressure)
- Unidad de Pascal (Pa) (Pascal unit (Pa))
- Presión absoluta (Absolute pressure)
- Presión relativa (Gauge) (Relative pressure (Gauge))
- Presión diferencial (Differential pressure)
- Presión hidrostática (Hydrostatic pressure)
- Densidad del líquido (Liquid density)
- Gravedad (Gravity)
- Altura de la columna líquida (Height of the liquid column)
- Principio de Pascal (Pascal's principle)
- Prensa hidráulica (Hydraulic press)
- Fuerza de flotación (Buoyant force)
- Principio de Arquímedes (Archimedes' principle)
- Peso del fluido desplazado (Weight of the displaced fluid)
- Presión atmosférica (Atmospheric pressure)
- Altitud y presión (Altitude and pressure)
- Manómetro (Manometer)
- Transmisión uniforme de presión (Uniform transmission of pressure)
- Barómetro (Barometer)
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