Forzas De PresióN

TEMA 5: FORZAS DE PRESIÓN

1- CONCEPTO DE PRESIÓN

A presión defínese como a forza que actúa sobre a unidade de superficie dun corpo. Trátase dunha magnitude escalar e represéntase por P.

Unidades:

A unidade de Presión no S.I é o Pa (Pascal)

Existen outras unidades de presión que veremos máis adiante e que se empregan, sobre todo, para medir a presión atmosférica.Da fórmula anterior deducimos que si queremos disminuir a presión que exerce unha determinada forza debemos de aumentar a superficie sobre a que se exerce a forza (caso dos esquimais cando camiñan pola neve empregando unhas raquetas para que o seu peso se reparta sobre unha maior superficie).

2- PRESIÓN HIDROSTÁTICA

Calquer líquido ou gas contido nun recipiente exerce unha forza sobre o fondo e as paredes deste. Se introducimos a man ou un obxeto no seu interior exércese unha forza sobre eles. Todas estas forzas que un fluido exerce sobre os obxetos sumerxidos nel podémolas considerar debidas a presión existente no seo do fluído. É a presión hidrostática. "Denomínase presión hidrostática á exercida por un fluído, como consecuencia do seu propio peso, sobre tódolos corpos sumerxidos nel e sobre as paredes do recipiente".

A forza exercida por un fluído como consecuencia da presión hidrostática é sempre perpendicular á superficie dos corpos sumerxidos e ás superficies do recipiente.

Na figura vemos como se temos un líquido nun recipiente e lle facemos uns buracos, o líquido sairá prependicular a superficie onde se lle practica a abertura.

3- PRINCIPIO DE PASCAL

Física e Química 4º ESO 1

Se imos comprimindo o líquido exercendo forza sobre o émbolo, chega un momento no que tódolos tapóns do depósito saltan simultaneamente. (Non salta antes o máis alonxado do émbolo como podíamos supoñer). Esto é consecuencia de que a presión exercida polo émbolo trasmitiuse a través do líquido a tódalas partes. Esta experiencia e outras similares levaron ó físico francés Pascal a enunciar o principio que leva o seu nome.

"A presión exercida nun punto dun fluído trasmítese integramente e coa mesma intensidade en tódalas direccións"

O principio de Pascal ten múltiples aplicacións tecnolóxicas como poden ser a balanza hidrostática, prensa hidráulica, freos dos coches (unha prensa en definitiva), etc.

4- TEOREMA FUNDAMENTAL DA HIDROSTÁTICA

Imos calcular a presión que exerce unha columna de líquido sobre a superficie do fondo do recipiente:

A forza que exerce o líquido sobre a superficie do fondo coincide co peso da columna de líquido:

Sabemos que , logo: . Entón:

. O volumen de líquido sabemos que é igual a: . Logo: . Polo tanto:

. Eliminando S queda:

A ecuación anterior coñécese como ecuación fundamental da hidrostática:

"A presión hidrostática existente no interior dun fluído depende unicamente da prufundidade (h) á que se atopa o punto considerado"

Hai que facer constar que nos referimos unicamente á presión hidrostática, pois se quixéramos calcular a presión absoluta no interior dun fluído teríamos que sumarlle a presión atmosférica existente na superficie libre do líquido. Máis adiante falaremos dela.

4.1- CONSECUENCIAS DO TEOREMA FUNDAMENTAL:


h

1F

a) A presión no interior dun fluído aumenta coa profundidade.

b) Tódolos puntos dun fluído situados sobre unha mesma horizontal están sometidos a mesma presión.

c) A superficie libre dos líquidos en repouso é plana e horizontal.

5- VASOS COMUNICANTES

Consisten en distintos recipientes conectados entre sí pola base. O principio dos vasos comunicantes atopa moitas aplicacións na vida cotiá.Respecto o comportamento dos vasos comunicantes temos que distinguir se se trata dun so líquido ou se temos líquidos distintos.No 1º caso o líquido acada a mesma altura en todos eles debido a que a presión ten que ser igual en todos tamén tal como se aprecia na figura:

Se consideramos agora dous líquidos de distinta densidade observamos que o líquido menos denso acada unha altura maior:

"As alturas acadadas por dous líquidos distintos en cada unha das ramas dun sistema de vasos comunicantes son inversamente proporcionais as súas densiddades"

Esto é debido a que a presión en dous puntos situados na mesma horizontal ten que ser a

mesma. Podémolo apreciar na seguinte figura que constitúe un tubo en forma de U:

O líquido da dereita é máis denso que o líquido da esquerda e como consecuencia abóndalle con acadar unha altura h2 mentres que o líquido da esquerda, o ser menos denso, precisa subir ata unha altura maior h1 para conseguir que a presión en A sexa a mesma que en B.APLICACIÓNS:

- Suministro de auga as cidades: O depósito sitúase a unha altura superior a cidade- Pozos atesianos: A auga brota sen necesidade de motor.- Indicadores de nivel: Empregados para

saber o contido de líquido nun depósito

ou para nivelar superficies.6- PRESIÓN ATMOSFÉRICA

A presión atmosférica é a presión que exerce a atmósfera sobre todos os corpos situados nela. Disminúe a medida que ascendemos en altitude xa que temos menos aire encima de nos e é menos denso. Existen multitude de experiencias que poñen de manifesto a existencia da presión


natmosférica como son o vaso co papel dado a volta ou as dúas semiesferas xuntas as que se lle fai o baleiro e despois se tentan separar.

6.1- MEDIDA DA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

O 1º en medir a presión atmosférica foi o científico italiano Torricelli realizando a seguinte experiencia con mercurio ó nivel do mar.

Encheu un tubo de vidrio de 1 m de lonxitude

con mercurio e a continuación tapouno con un dedo procurando que non quedase nada de aire e introduciuno nunha cubeta tamén con mercurio. Observou que o mercuruio do tubo descendía ata unha altura de 760mm (ou 76cm) sobre o nivel da cubeta. Torricelli deduxo que a presión atmosférica que actuaba sobre o mercurio da cubeta se equilibraba coa exercida pola columna de mercurio no interior do tubo.

Tendo en conta que a densidade do mercurio é d = 13600 Kg/m3

e aplicando a fórmula da presión hidrostática :

A presión que exerce unha columna de mercurio de 760mm de altura coñécese como 1 atmosfera = 1 atm, polo tanto as equivalencias serian:

Tamén se empregan outras unidades de presión como os b (bar) e mb (milibar). O mb é moi empregado sobre todo en meteoroloxía. polo que: A presión atmosférica varia segundo os días e segundo o lugar, incluso as veces no mesmo día pode variar. Valores elevados (Anticiclóns) da presión atmosférica indican polo xeral bo tempo e valores baixos (Borrascas) mal tempo. Para medila empréganse uns instrumentos chamados Barómetros que poden ser de mercurio (similares o de Torricelli) ou metálicos.

7- PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES


Presiónatmosférica

Se pesamos un corpo no aire e a continuación sumerxido nun líquido observamos que pesa menos no 2º caso. Esto é debido a forza de empuxe que experimentan os corpos sumerxidos. O seu sentido é contrario ó do Peso. Coñécese como Principio de Arquímedes xa que foi este físico e matemático grego quen o descubriu. O seu enunciado é:"Todo corpo sumerxido nun fluído experimenta unha forza de empuxe vertical cara arriba igual o peso do volumen de fluído desaloxado"

O fluído normalmente soe ser un líquido pero tamén pode ser un gas ( O aire). Así, por exemplo, cando inflamos un globo con Helio o empuxe que experimenta o globo é maior que o peso do Helio contido no globo, polo que hai unha forza neta cara arriba e o globo fuxe.Imos deducir a expresión matemática que nos permite calcular o empuxe que experimenta un corpo sumerxido nun fluido:

Supoñamos un corpo regular sumerxido nun fluido. A superficie superior atópase a unha profundidade h1 e a superficie inferior a unha profundidade h2. A forza debida a presión hidrostática existente a unha profundidade h1 é F1 e a forza debida a presión hidrostática a unha profundidade h2 é F2. Sobre as paredes laterales do corpo tamén existen forzas de presión pero estas anúlanse mutuamente o seren iguais e opostas (provocarían en tal caso unha deformación do corpo cara adentro). A forza neta que exerce o fluído cara arriba é o Empuxe e a súa expresión é: . Polo tanto imos calcular as expresións de e para obter .

* Neste caso, por simplificación, as áreas das superficies superior e inferior do corpo son iguais e valen S.

constitúe a altura do corpo sumerxido polo que o producto non é máis que o Volumen do corpo sumerxido ( que neste caso coincide co volumen do corpo) polo que podemos escribir: .

Logo:

O peso, como sabemos, ven dado pola expresión: . Como a masa do corpo podémola escribir como nos queda:

7.2- Aplicacións do principio de Arquímedes

Equilibrio de sólidos mergullados

Ó mergullar un sólido nun fluído poden ocorrer tres cousas distintas: que o sólido se afunda, que estea en equilibrio no interior do fluído ou que flote na súa superficie. ¿Que sucede para que un obxecto se comporte dun ou doutro xeito?Sobre calquera corpo mergullado, total ou parcialmente, actúan dúas forzas: o seu peso (P), que o impulsa cara a abaixo, e o empuxe (E) do fluído cara a arriba. Segundo sexa a resultante de ambas forzas, así será a situación final que se produza.


1h

2h1F

2FesoP

)( 1212

1212

hhSgdFF

hSgdhSgdFF

2222 hSgdSgdhSPF fluido

1111 hSgdSgdhSPF fluido

Caso 1. Se o Peso do corpo é maior có Empuxe, o sólido afundirase xa que a forza resultante o impulsa cara abaixo. P>E

A forza que o fai baixar será: F = P - E

Caso 2. O corpo permanece en equilibrio no interior do fluído onde se somerxe. Neste caso a relación do Peso e Empuxe son iguais, polo que a forza resultante é cero:

P = E Só é posible se a densidade do sólido e a do fluído son iguais.

Caso 3. O sólido flota cando o seu Peso é menor có Empuxe do fluído. A resultante impúlsao cara arriba: P<E

A forza que o fai subir será: F = E - P O corpo emerxe ata que ambas forzas se igualan, pois entonces a resultante vale cero

e o corpo mantense en equilibrio flotando cunha parte por debaixo do nivel do fluído.

EXERCICIOS RESOLTOS

1- Un acróbata de 80 kg de masa encóntrase realizando un exercicio no que está apoiadono chan só coa palma da man. Se a presión que exerce sobre o chan é de 58 000 Pa, ¿canto vale a superficie da súa man? Compara a dita presión coa presión atmosférica.

Partindo da definición de presión:

A presión que exerce sobre o chan é equivalente a:

pouco máis da metade da atmosférica.

2- Un batiscafo está preparado para aguantar unha presión de 8 .107 Pa. Sabendo que a densidade da auga mariña é 1035 kg/m3 , ¿ata que profundidade pode descender? ¿E se descendera nun mar de mercurio? densidade do mercurio dHg = 13.600 kg/m 3

- Aplicando a fórmula da presión no interior dun fluído:

- No caso do mercurio:

Tamén se podería descontar a presión atmosférica, xa que no interior do mar tamén nos afecta a presión atmosférica, pero o resultado apenas varía (10 m no caso da auga e 76 cm no caso do mercurio).

3- Nun taller hai unha prensa hidráulica cun émbolo de 100 cm2 e un percorrido (distancia que baixa o émbolo) de 50 cm. Sobre o émbolo grande, de 10 m2 de superficie, colocamos un vehículo de 1500 kg. ¿Que forza exerce o operario para levantar o vehículo? ¿Cantas veces debe impulsar o émbolo para elevar o vehículo 1 m?


- Aplicar o principio de Pascal para calcular a forza e logo calcular o volume de fluído que aumentou no émbolo grande o subir este 1 m. Este volume debe ser igual o impulsado polo operario. Tendo en conta o volumen que impulsa o operario de cada vez podemos calcular o nºEXERCICIOS

1- ¿Que presión exerce sobre a tea unha agulla de coser se é empuxada por unha forza de 40 N e ten unha sección de 10-6 m2?

2- A presión máxima que pode soportar o ser humano é de 8 atm. ¿Ata que profundidade pode descender no mar sen perigo? densidade do mar = 1035 kg/m3

3- Cambiarían os resultados se o tubo que usou Torricelli fose a metade de ancho có que empregou?

4- O tapón dunha bañeira é circular e ten 4 cm de radio. Se enchemos a bañeira ata acadar unha altura de 0,50 m, calcula a forza que habería que facer para levantar o tapón, se a súa masa é de 20 g.

5- Se torricelli fixese a súa experiencia con auga en vez de con mercurio ¿qué altura acadaría a auga no tubo de vidro se a presión atmosférica ó nivel do mar é de 1 atm?

6- Situamos un barómetro no exterior dunha avioneta que marca, no momento do despegue, unha presión de 740 mm de Hg. Elevámonos e nun intre determinado observamos que o barómetro marca 680 mm de Hg. ¿A que altura nos atopamos sobre a pista de aterraxe? Datos: densidade do aire: 1,30 kg/m 3 . Supón que a variación na presión só se debe á diferente altura.

7- Unha pedra pesa 300 N no aire e 270 N mergullada en auga. ¿Cal é o volume da pedra? ¿Cal é a súa densidade?

8. Un cubo (hexaedro) de plástico, de 30 cm de lado, encóntrase flotando nunha piscina, e a súa densidade é 600 kg/m3. Calcula a altura do cubo que sobresae da auga. ¿Cal é amasa dun can que, situado sobre o plástico, o afunde ata que só sobresaen 2 cm?

9. A ventá lateral dun batiscafo ten 80 cm de diámetro. Calcula a forza que se exerce sobre ela cando o batiscafo se atopa a 8 km de profundidade. densidade do mar = 1035 kg/m3

10- ¿Qué volume ten sumerxido un corpo que flota?

a) Todo o seu volume b) Ningún volume c) A metade do seu volume d) Depende só do peso do corpo e) Depende do peso do corpo e da densidade do líquido

11- Se un corpo que flota o afundimos ata ter sumerxido un volume doble do que tiña, podemos decir que:

a) O empuxe duplicaseb) O equilibrio mantenesec) A masa de auga desaloxada é igual a metade da masa do corpo.d) O peso aparente é cero



Education

Forzas De PresióN