HIDROSTÁTICA EJEMPLOS Y EJERCICIOS RESUELTOS DE ESTÁTICA DE FLUIDOS
MECÁNICA DE FLUIDOS
Es la parte de la Física que estudia el movimiento de los fluidos (líquidos y gases), y que tiene la finalidad de analizar el comportamiento y efectos físicos que originan los fluidos en el estado de reposo y en el estado dinámico.
FLUIDO
Es toda sustancia que se deforma continuamente cuando se le somete a un esfuerzo cortante o tangencial, aun por muy pequeño que sea éste.
Los fluidos pueden dividirse en líquidos y gases
DIFERENCIAS ENTRE LÍQUIDOS Y GASES
LÍQUIDOS
☛ Las fuerzas de cohesión entre sus moléculas son intensas
☛ Son prácticamente incompresibles
☛ Ocupan un volumen definido
☛ Tienen superficie libre (limitatoria)
☛ Adquieren la forma del recipiente que los contiene GASES
☛ Las fuerzas de cohesión entre sus moléculas son casi nulas
☛ Son compresibles
☛ No tienen volumen definido
☛ No tienen superficie libre (limitatoria)
☛ No tienen forma definida y tratan de ocupar la totalidad del recipiente que los contiene
LA HIDROSTÁTICA:
Es la parte la mecánica de fluidos que estudio a los cuerpos en reposo.
EJERCICIO 1 :
Determine la presión hidrostática sobre el fondo de una piscina de 3m de profundidad.
g = 10 m/s².
a) 1×104 Pa
b) 1,5×104 Pa
c) 2×104 Pa
d) 2,5×104 Pa
e) 3×104 Pa
Rpta. : "E"
EJERCICIO 2 :
Las áreas de los pistones de una prensa hidráulica son 0,5m² y 10m². Halle la carga que podrá levantarse con esta prensa, cuando se aplique una fuerza de 0,4kN.
a) 6 kN
b) 8 kN
c) 10 kN
d) 12 kN
e) 14 kN
Rpta. : "B"
EJERCICIO 3 :
Determine el módulo de la fuerza de empuje sobre un bloque, de tal manera que al ser introducido en agua desaloje 100cm³.
(g=10m/s²)
a) 1 N
b) 2 N
c) 3 N
d) 4 N
e) 5 N
Rpta. : "A"
EJERCICIO 4 :
El peso de un bote de madera, que flota en el lago junto al muelle es de 700N. Halle el volumen sumergido del bote.
g=10m/s²
a) 0,07 m³
b) 0,08 m³
c) 0,09 m³
d) 0,10 m³
e) 0,20 m³
Rpta. : "A"
EJERCICIO 5 :
Una enfermera aplica una fuerza de 40N al pistón de una jeringa cuya área es de ×10–3m². Encuentre la presión que ejerce en Pa.
a) 2×104
b) 3×104
c) 4×104
d) 8×104
e) 9×104
Rpta. : "C"
EJERCICIO 6 :
Se desea construir una prensa hidráulica para ejercer fuerzas de 104 N. ¿Qué superficie deberá tener el pistón grande, si sobre el menor de 0,03 m², se aplicará una fuerza de 500 N?
a) 0,03 m²
b) 0,06 m²
c) 0,3 m²
d) 0,6 m²
e) 6 m²
Rpta. : "D"
MECÁNICA DE FLUIDOS
El comportamiento y las características tan peculiares que poseen los fluidos y en especial el agua. Constituyen una de las mayores preocupaciones del hombre a través de la historia, el hombre del paleolítico construía sus casas en medio de un lago para evitar ser presa de los animales salvajes, por lo cual este tipo de casas estaban diseñadas de tal manera que debían resistir la presión y fuerza hidrostáticas en vista de ello es bastante comprensible que se tenga que lograr bastante estabilidad mediante el uso de material y estructuras apropiadas. El comportamiento de los fluidos ha sido enfocado de una manera algo empírica por el hombre desde tiempos inmemoriales, inclusive desde épocas bíblicas conocemos historias sobre inundaciones y sobre técnicas de riego, en campos dedicados a la agricultura. El hombre para lograr esos conocimientos tuvo que valerse de muchas observaciones durante prolongados periodos de tiempo y así poder comprender algunas propiedades de los líquidos.
Podemos también citar como un ejemplo del mundo antiguo las experiencias de los egipcios, quienes anualmente se veían en la obligación de lidiar con las crecidas del Nilo, que inundaba las zonas agrícolas durante las épocas de crecida, dejando territorios anegados ricos en limo, los cuales debían ser repartidos en forma proporcional, desarrollando de esta manera conocimientos tanto en mecánica de fluidos como en geometría (que se utilizaba para la parcelación posterior de los terrenos inundados). Es notable el avance en ingeniería hidráulica logrado por los egipcios, una muestra es la construcción del lago Moeris, un lago artificial en el desierto, para el riego de zonas áridas que eran destinadas a la agricultura.
El hombre de la antigüedad con sólo una rudimentaria apreciación de la física de los fluidos, cavó pozos, construyó canales, operó ruedas hidráulicas y dispositivos de bombeo rudimentarios y, al aumentar el tamaño de sus ciudades, construyó acueductos cada vez más grandes, los que alcanzaron su mayor dimensión y grandeza en el Imperio Romano. Pese a todo ello a excepción de las ideas de Arquímedes (287 – 212 a. de C.) sobre los principios de empuje y flotación, en la mecánica de fluidos moderna aparece muy poco sobre el conocimiento de los antiguos.
Después de la caída del Imperio Romano (476 D. de J.C.) no existe, hasta la época de Leonardo da Vinci (1452 – 1519), registro alguno de progreso en la mecánica de fluidos. Este gran genio proyectó y construyó la primera esclusa de cámaras para un canal, cerca de Milán, e introdujo una nueva era en la ingeniería hidráulica; estudió también el vuelo de las aves y desarrolló algunas ideas sobre el origen de las fuerzas que soportaban a éstas en el aire. Sin embargo, hasta la época de Leonardo, los conceptos sobre el movimiento de los fluidos deben considerarse más como un arte que como una ciencia. Después de la época de Leonardo, la acumulación de conocimiento sobre hidráulica ganó momentum rápidamente, siendo sobresalientes las contribuciones de Galileo, Torricelli, Mariotte, Pascal, Newton, Pitot, Bernoulli, Euler, y D'Alembert a los principios básicos de la ciencia. Aunque las teorías propuestas por estos científicos se confirmaban en general por experimentos rudimentarios, las divergencias entre la teoría y la realidad condujeron a D'Alembert a declarar en 1744, "La teoría de los fluidos deberá basarse necesariamente en la experimentación".
D'Alembert demostró que no existe resistencia al movimiento de un cuerpo cuando éste se mueve a través de un fluido ideal (no viscoso o invíscido), pero es obvio que esta conclusión no puede aplicarse a los cuerpos que se mueven a través de fluidos reales. En 1646 Blaise Pascal empezó sus experimentos barométricos, los cuales continuó durante 8 años. En 1654 completó un trabajo dedicado a las leyes de la hidrostática y a la demostración y descripción de los efectos del peso del aire. Terminados estos experimentos realizó estudios de aritmética, destacando en el análisis y cálculo de probabilidades. Blaise Pascal inventó la prensa hidráulica y es considerado el padre y creador de la hidrostática.
Es preciso apuntar que en el antiguo Perú los nasquenses, construyeron acueductos para poder tener agua todo el año; obras que por otro lado debieron significar un gran esfuerzo físico, organizado y dirección técnica de ingenieros hidráulicos.
Son notables las innumerables aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos, es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, y la dinámica de fluidos. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad.
Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas.
La hidráulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.
