Estatica de fluidos

CAPÍTULO 1 ESTÁTICA DE FLUIDOS

1.1INTRODUCCIÓN

En general, la materia puede clasificarse de acuerdo con sus características físicas en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Los líquidos y gases se caracterizan por fuerzas de atracción más débiles que las que mantienen unidos a los átomos de un sólido, por tener sus átomos y moléculas distribuidos aleatoriamente y por no tener una formadefinida. Por estas razones, los líquidos y gases se denominan fluidos. El estudio de los fluidos en reposo se conoce como estática de fluidos. Para describir un fluido en reposo, definiremos variables apropiadas como la fuerza por unidad de área (presión) y la masa por unidad de volumen (densidad).

Cuando un buzo se sumerge a grandes profundidades, la presión del fluido aumenta. ¿Por quésucede esto? Se sabe que gran parte del volumen de un iceberg está sumergido en el agua; ¿cómo podemos calcular qué proporción está sobre el agua? Para entender estos y otros fenómenos relacionados, estudiaremos el comportamiento de los fluidos mediante la aplicación de las leyes de la mecánica; en particular, definimos cantidades físicas útiles como la presión y la densidad, estudiaremos como varíala presión con la profundidad y comprenderemos cuáles son las fuerzas que actúan sobre un objeto sumergido en un líquido.

1.2 ESTADOS DE LA MATERIA

Las características generales que describen a los estados de la materia son las siguientes:

Sólidos: Los átomos y moléculas de la estructura cristalina están ordenados en posiciones fijas, aunque pueden vibrar alrededor de su posición deequilibrio. Tanto la forma como el volumen del sólido están perfectamente definidas.

Líquidos: Los átomos y moléculas están ordenados al “azar”, es decir, no tienen posiciones fijas ni estructura cristalina. Toman la forma del recipiente que los contiene aunque, en ausencia de gravedad poseen una geometría esférica. Las fuerzas de atracción entre sus moléculas son intensas. Su volumen es finito.Gases: Las fuerzas de interacción entre las moléculas que forman al gas son despreciables. Adoptan la forma del recipiente que los contiene.

1.3 VARIABLES EXTENSIVAS E INTENSIVAS

Puesto que los fluidos son sistemas colectivos (formados por muchas partículas), es conveniente describir al sistema en función de cantidades que no dependan del tamaño del mismo. Esto es, la descripción físicadebe ser la misma si consideramos 1l de agua o 106 l del mismo líquido. Por tanto, debemos hacer una distinción entre los diferentes tipos de variables físicas que se emplean para describir a los sistemas: las variables que dependen del tamaño del sistema tales como masa, área, volumen y peso se denominan extensivas. Esto quiere decir que si aumentamos las dimensiones del sistema, el área y elvolumen aumentan así como también la masa y el peso. En cambio, existen entidades físicas independientes del tamaño de dicho sistema que se conocen como intensivas. Dos ejemplos de este último tipo de variables y que resultan de gran utilidad en el estudio de los fluidos son la densidad volumétrica de masa y la presión.

1.3.1 DENSIDAD

En esta parte del curso, nuestro interés estará centrado enel estudio de las propiedades y características de los líquidos y gases en reposo, que se comportan como fluidos. Aún así, no todos los fluidos son iguales: por ejemplo, pese a ser líquidos, el agua y el aceite son diferentes. En el lenguaje cotidiano, se dice que el aceite es “más pesado” que el agua. Siendo más precisos, el aceite es más denso que el agua. Para un fluido uniforme, la densidad sedefine como la masa por unidad de volumen

La última igualdad se sigue como consecuencia de la definición de variable intensiva. Las unidades de esta cantidad física en el sistema internacional son kg/m3, mientras que en el cgs son g/cm3. Por ejemplo, sabemos que la densidad del agua dulce es de 1000 kg/m3 y la del hielo es de 917 kg/m3; como veremos más adelante en este capítulo, el hielo...