En esta sección estudiarémos a los fluidos. Fluido es cualquier sustancia que tiene la capacidad de drenar. Normalmente los líquidos y gases tienen esta propiedad y toman la forma del recipiente que los contiene. También podemos definir un fluido como una sustancia que, submetida a una fuerza tangencial (cizallamiento) se deforma de manera continua.

Fluidos

Primero, es interesante tener en cuenta las propiedades de los fluidos quietos (estáticos), una área conocida como hidrostática. En este caso, las siguientes definiciones son críticas:

Densidad ( \(\rho\) )
La masa específica o densidad \(\rho\) de un cuerpo se define como la masa presente en una unidad de volumen, es decir: $$\rho = \frac{m}{V},$$ donde \(m\) es la masa del cuerpo y \(V\) volumen. Tenga en cuenta que conociendo el volumen de un cuerpo y de qué material está hecho, podemos calcular la masa de ese material como: $$ m = \rho V.$$
Las densidades de diferentes sustancias. La figura ilustra una misma sustancia en recipientes de igual tamaño. Tenga en cuenta que un recipiente tiene más masa (moléculas) que el otro en el mismo espacio, por lo tanto, mayor densidad.

Note que:
  • La unidad de masa específica o densidad en el \(SI\) es: \(\frac{kg}{m^3}\) .
  • La densidad es un escalar.
  • Cada sustancia tiene una densidad que es una de las características de los mismos.
  • La densidad de un gas varía considerablemente con la presión, pero la variación de la densidad de un líquido con la presión es despreciable y, a efectos prácticos, se considera que no varía. Es decir, los gases son fácilmente compresibles, pero los líquidos no.
La siguiente tabla muestra la densidad de algunas sustancias.
Sustancia
Massa específica ( \(kg/m^3\) )
Aire ( \(0^oC, 1 atm\) )
\(1.21\)
Agua ( \(20^oC, 1 atm\) )
\(1.0 \times 10^3\)
Hielo
\(0.92 \times 10^3\)
Concreto
\(2.3 \times 10^3\)
Aluminio
\(2.7 \times 10^3\)
Hierro
\(7.85 \times 10^3\)
Plomo
\(11.3 \times 10^3\)
Tierra: corteza
\(2.8 \times 10^3\)
Tierra: núcleo
\(9.5 \times 10^3\)
Presión ( \(P\) )
La presión en un área, no es más que una fuerza normal por unidad de área, y es una magnitud escalar (ver figura siguiente).
Presión en un fluido. La figura ilustra un fluido bajo la acción de una fuerza \(\vec{F}\) . Podemos descomponer \(\vec{F}\) en la dirección normal a la superficie del líquido, \(\vec{F_n}\) y en la dirección tangente a la superficie, \(\vec{F_t}\) . Para el cálculo de la presión se ultiliza únicamente la componente \(\vec{F_n}\) .
La presión debido a una fuerza \(\vec{F}\) en un área \(A\) se puede calcular con la fórmula: $$P = \frac{F_n}{A},$$ donde \(F_n\) es el módulo de la componente normal a la superficie de la fuerza \(\vec{F}\) .
Note que:
  • La presión P en un punto de equilibrio en el fluido es la misma en todas las direcciones.
  • La unidad de presión en el SI es newton por metro cuadrado, \(\frac{N}{m^2} = Pascal (Pa)\) .
  • El manómetro es el instrumento utilizado para medir presiones en general. En el coche, por ejemplo, hay un manómetro para medir la presión del aceite que lubrica el motor.
      La siguiente tabla muestra la presión de algunos sistemas.
      Sistema
      Valor (Pascal)
      Centro del Sol
      \(2 \times 10^{16}\)
      Centro de la Tierra
      \(4 \times 10^{11}\)
      Mayor profundidad del océano
      \(1.1 \times 10^8\)
      Neumático de automóvil
      \(2 \times 10^5\)
      Aire a nivel del mar
      \(1.0 \times 10^5\)
      Sangre normal
      \(1.6 \times 10^4\)
      Sonido máximo tolerable
      \(30\)
      Sonido mínimo detectable
      \(3 \times 10^{-5}\)

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

La presión atmosférica se produce debido al peso de la columna de aire que presiona los sistemas en el entorno de la superficie de la tierra. Cuanto mayor sea la columna de aire, mayor la presión, por esto es que sentimos el cambio de presión cuando viajamos desde lugares altos para regiones bajas, y viceversa. A nivel del mar, la presión atmosférica tiene el siguiente valor : $$1 atm = 1.01 \times 10^5 Pa = 760 mmHg = \\ = 760 Torr = 14.7 Lib/in^2 (psi)$$ la presión atmosférica se mide con un instrumento llamado un barómetro (ver figura).

El barómetro de mercurio es un instrumento que mide la presión atmosférica. Sólo se compone de un tubo capilar en donde un extremo está cerrado. Después de llenar este tubo de mercurio, se vierte el tubo en un recipiente como en la figura. Por lo tanto, la altura del mercurio dentro del tubo es proporcional a la presión atmosférica en la superficie del recipiente.