fisica 2 bloque 1

fisica 2

Saavedra Cruz Cesar Emmanuel

bloque 1 fluidos

la hidraulica Es la parte de la Física que estudia la mecánica de los fluidos; analiza las leyes que rigen el movimiento de los líquidos y las técnicas para el mejor aprovechamiento de las aguas. La hidráulica se divide en dos partes: La hidrostática, encargada de lo relacionado con los líquidos en reposo. La hidrodinámica, que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento.

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la hidrodinamica

FLUIDOS. Un fluido es todo cuerpo que tiene la propiedad de fluir, y carece de rigidez y elasticidad, y en consecuencia cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma y adoptando así la forma del recipiente que lo contiene. Los fluidos pueden ser líquidos o gases según la diferente intensidad de las fuerzas de cohesión existentes entre sus moléculas.

La materia existe en tres fases: sólida, líquida y gaseosa. En un sólido, las moléculas se atraen intensamente entre sí y es por ello que los sólidos tienen una forma y volumen definido. En los líquidos, la mayor separación de las moléculas permite que capas adyacentes fluyan unas sobre otras. De tal modo, un líquido tiene un volumen definido, pero toma la forma del recipiente que lo contiene. Las moléculas de un gas suelen estar tan apartadas que ejercen muy poca atracción entre sí, por lo que los gases no tienen ni forma ni volumen definido. Los gases y los líquidos reciben el nombre de fluidos, porque fluyen libremente y llenan los recipientes que los contienen. Los fluidos tienen un peso y por tanto pueden ejercer una presión y fuerza. Las fuerzas pueden ser ejercidas por fluidos en reposo o por fluidos en movimiento.

Propiedades generales de los fluidos Viscosidad Esta propiedad se origina por el rozamiento de unas partículas con otras cuando un líquido fluye. Se puede definir a la viscosidad, como la medida de la resistencia que opone un líquido al fluir. Tensión superficial La tensión superficial hace que la superficie libre de un líquido se comporte como una finísima membrana elástica. Este fenómeno se presenta debido a la atracción entre las moléculas del líquido. Cohesión Es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia. Por la fuerza de cohesión, si dos gotas de agua se juntan forman una sola . Adherencia La adherencia es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto. Comúnmente las sustancias líquidas se adhieren a los cuerpos sólidos. Capilaridad Se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, especialmente si son tubos muy delgados (casi del diámetro de un cabello) llamados capilares. Compresibles - Incompresible Tiene la capacidad de oponerse a la compresión del mismo bajo cualquier condición. Esto quiere decir que ni la masa ni el volumen del fluido puede cambiar.

Densidad o masa específica La densidad de una sustancia ρ es una propiedad característica o intensiva de la materia, representa la masa contenida en la unidad de volumen . La densidad de una sustancia no depende de la cantidad de materia y, por tanto, es la misma en el frasco pequeño o en el depósito, cuando ambos contienen la misma sustancia . ρAgua  1 m3 1000 Kg Por cada m3 de gua existe una masa de 1000 Kg ρ = Densidad = Kg/ m3 = gr/cm3 = g/ml, g/l m = Masa = Kg = gr V = Volumen = m3 = cm3 = litros = m

Peso específico El peso específico de una sustancia también es una propiedad característica, su valor se determina dividiendo la magnitud de su peso entre el volumen que ocupa

presion Indica la relación entre la magnitud de una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa. P = Presión en N/m2 = Pascal F = Fuerza perpendicular a la superficie en newtons (N) A= Área o superficie sobre la que actúa la fuerza en metros cuadrados (m2 ) Cuanto mayor sea la magnitud de la fuerza aplicada, mayor será la presión para una misma área Cuando se aplica una misma fuerza, pero el área aumenta, la presión disminuye La presión es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza recibida e inversamente proporcional al área sobre la que actúa la fuerza

presion hidrostatica Debido al peso de sus moléculas, un líquido origina una fuerza sobre el área en la que actúa, produciendo una presión Ph = Presión hidrostática en N/m2 ρ = densidad del líquido en kg/m3 Pe = Peso específico del líquido en N/m3 g = Aceleración de la gravedad, igual a 9.8 m/s2h = Altura de la superficie (profundidad) en metros (m) Ph = Presión Hidrostática Pe = Peso especifico en N/m3 h = altura (profundidad) en mρ = Densidad en Kg/m3 g = gravedad g= 9.8 m/s2 La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene siempre actúa en forma perpendicular a esas paredes. Los fluidos ejercen presión en todas direcciones.

presion atmosferica• La Tierra está rodeada por una capa de aire llamada atmósfera. • Una mezcla de 20% de oxígeno, 79% de nitrógeno y 1% de gases raros • Debido a su peso ejerce una presión sobre todos los cuerpos que están en contacto con él, la cual es llamada presión atmosférica. • A medida que es mayor la altura sobre el nivel del mar, la presión atmosférica disminuye. Presión a nivel del mar 1 atmósfera = 1 ATM = 1.013 X 105 N/m2 = 76 cm de Hg = 760 mm de Hg P = 13600 kg/m3 × 9.8 m/s2 × 0.76 m = = 1.013 × 105 N/m2 Presiones en milímetros de mercurio 1 mm de Hg = 133.2 N/m2 1 cm de Hg = 1332 N/m2

Presión manométrica y presión absoluta Un líquido contenido en un recipiente abierto, además de la presión originada por su peso, soporta la presión atmosférica, la cual se transmite uniformemente por todo el volumen del líquido En el caso de un fluido encerrado en un recipiente, además de la presión atmosférica puede recibir otro tipo presión como por ejemplo la presión en las calderas de vapor, o la presión en las llantas de los vehículos como resultado del aire comprimido. La presión diferente a la atmosférica recibe el nombre de presión manométrica. La presión absoluta que soporta el fluido encerrado es igual a la suma de las presiones manométrica y atmosférica. Presión absoluta = presión manométrica + presión atmosférica Presión manométrica = presión absoluta - presión atmosférica

Para medir la presión manométrica del interior de un cilindro con gas se utilizó un manómetro de tubo abierto. Al medir la diferencia entre los dos niveles de mercurio se encontró un valor de 15 cm de Hg. Determinar la presión absoluta que hay dentro del cilindro en la Ciudad de México y a nivel de mar en: a) cm de Hg b) mm de Hg c) N/m2 Pman = 15 cm de Hg Pabs = ? Patm = 586mm de Hg Pabs = 15 cm de Hg + 58.6 cm de Hg = 73.6 cm de Hg Pabs= 150 mm de Hg + 586 mm de Hg = 736 mm de Hg

principio de pascalUn líquido produce una presión hidrostática debido a su peso. Si el líquido se encierra herméticamente dentro de un recipiente puede aplicársele otra presión utilizando un émbolo; dicha presión se transmitirá íntegramente a todos los puntos del líquido Blaise Pascal (1623-1662), enunció el siguiente principio : Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo contiene. La prensa hidráulica es una de las aplicaciones del principio de Pascal. Consta esencialmente de dos cilindros de diferente diámetro, cada uno con su respectivo émbolo, unidos por medio de un tubo de comunicación. Se llenan de líquido el tubo y los cilindros, y al aplicar una fuerza en el émbolo de menor tamaño la presión que genera se transmite íntegramente al émbolo mayor. Si una fuerza de pequeña magnitud actúa sobre el émbolo menor produce una fuerza de gran magnitud sobre el émbolo mayor

principio de pascal F = Fuerza mayor en N A = Área mayor en m2 f = Fuerza menor em Newton a = Área menor en m2

Principio de Arquímedes Un objeto que se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al peso del fluido desalojado El empuje que reciben los cuerpos al ser introducidos en un líquido fue estudiado por el griego Arquímedes. Cuando un cuerpo se sumerge en un líquido se observa que éste ejerce una presión vertical ascendente sobre él

La magnitud del empuje que recibe un cuerpo sumergido en un líquido se determina E = Pe V E = Empuje que recibe un cuerpo sumergido en N Pe = Peso específico del líquido en N/m3 V = Volumen desalojado en m3

La hidrodinámica es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento y considera, Velocidad Presión Flujo Gasto del líquido Teorema de Bernoulli. La mecánica de los fluidos investiga las propiedades de un fluido ideal sin fricción. La hidrodinámica investiga fundamentalmente los fluidos incompresibles, a los líquidos cuya densidad no varía cuando cambia la presión ejercida sobre ellos. La aerodinámica estudia las formas más adecuadas para que el móvil que se proyecta construir disminuya la fuerza de fricción viscosa del aireen las mejores condiciones.

Aplicaciones de la hidrodinámicaDiseño de canales Puertos Presas Barcos, Hélices Turbinas Ductos en general.

GASTO Es la relación existente entre el volumen de líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir. G = Gasto en m3 /s V = Volumen del líquido que fluye en m3 t = Tiempo que tarda en fluir el líquido en segundos (s) G = Gasto en m3 /s A = Área de la sección transversal del tubo en (m2 ) v = Velocidad del líquido en m/s Si se conoce la magnitud de la velocidad del líquido y el área de la sección transversal de la tubería.

Flujo Se define como la cantidad de masa del líquido que fluye através de una tubería en un segundo. por lo que sera F = Flujo en kg/s m = Masa del líquido que fluye kg t = Tiempo que tarda en fluir en segundos (s) F = Gρ F = Flujo en kg/s G = Gasto en m3 /s ρ = Densidad en kg/m3

Ecuación de continuidad G1 = G2 A1 v1 = A2 v2} La cantidad de líquido que pasa por el punto es la misma que pasa por otro punto. En el tubo de mayor sección transversal (punto 1), la magnitud de la velocidad del líquido es menor a la que adquiere al pasar al punto 2, donde la reducción del área se compensa con el aumento en la magnitud de la velocidad del líquido.

Densidad o masa específicaLa densidad de una sustancia ρ es una propiedad característica o intensiva de la materia, representa la masa contenida en la unidad de volumen. ρ = Densidad = Kg/ m3 = gr/cm3 = g/ml, g/l m = Masa = Kg = gr V = Volumen = m3 = cm3 = litros = ml Peso específico El peso específico de una sustancia también es una propiedad característica, su valor se determina dividiendo la magnitud de su peso entre el volumen que ocupa

presion Indica la relación entre la magnitud de una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa. P = Presión en N/m2 = Pascal F = Fuerza perpendicular a la superficie en newtons (N) A= Área o superficie sobre la que actúa la fuerza en metros cuadrados (m2 ) presion hidrostatica Debido al peso de sus moléculas, un líquido origina una fuerza sobre el área en la que actúa, produciendo una presión Ph = Presión Hidrostática Pe = Peso especifico en N/m3 h = altura (profundidad) en mρ = Densidad en Kg/m3 g = gravedad g= 9.8 m/s2

TEOREMA DE BERNOULLI fisico suizo Daniel Boulli (1720-1782), al estudiar el comportamiento de los liquidos, descubrió que le presión de un líquido que fluye por una tubería es baja el la magnitud de su velocidad es alta y, por el contreria, es alta si la mag- nitud de su velocidad es baja. Por tanto la ley de la conser- vación de la energia también se cumple cuando los líquidos estar en movimiento. Con base en sus estudios, Bernoulli enunció el siguiente teorema que leva su nombre: En un liquido ideal cuvo flujo es estacionario, la suma de las energías cinética, potencial y de presión que tiene el liquido en un punto, es igual a la suma de estas energias en otro punto cualquiura El líquido tiene, tanto en el punto 1 como en el 2, tres tipos de energia: a) Energía cinética debido a la velocidad y a la masa del líquido: Ser ² b) Energia potencial, debido a la altura del liquido, res- pecto a un punto de referencia: Ep-mgh. c) Energia de presión, originarla por la presión que las moléculas del liquido ejercen entre sí, por lo cual el Labe o realizado para el desplazamiento de les molé culas es igual a la energia de presión. ara compren- der la expresión matemática de esta energia veamos laga 9.5. F4 h₂ Elecroma de Bernoulli sa casa en lo lay ce b conservación de a energia, por elc, er los puntos 1 y 2 Esta es la mema. La energia do pración es igual al trabajo realizado para que as moléculas del liquido se desplacen de punto 1 al 2, uno citarea originado por la fuerza que se genere entre una moccda otra. m m+mga+ - Así, de acuerdo con el teorema de Bernoulli, la suma de las energies cinética, potencial y de presión en el punto 1 es igual a la suma de estas energias en el punto 2 figura 94): Ec, + Ep + E = Ec,+Ep,-E Pm 1 P 2 al sustituir dichas anorylas por su aspectivas expresio nes, tenemos: P₁ 4011 % 2 gi 1+ +gly + 1/2

APLICACIONES DEL TEOREMA DE BERNOULLI- TEOREMA DE TORRICELLI Una aplicación del teorema de Bernoulli se tiene cuando se desea conocer la magnitud de velocidad de salida de un liquido a través de un orificio en un recipiente como el ilustrado en la figura 9.3. +mgh, + P Pa donde tragritud d ariticio en m/s : Pm Pr A De acuerdo con lo artes señalado, de la ecuación de Ber- noulli solo quedan los siguientes térming :: Puesto que deseamos calcular le magnita velocidas de salida en el orificio. la despejamos de la ecuación anterior agh velocidad del liquido por e