PBL 7: FUERZAS EN LOS FLUÍDOS

EN CONTEXTO

Decimos que una sustancia puede fluir cuando la fuerza de atracción entre sus moléculas las permite desplazarse unas sobre otras para adoptar la forma del recipiente. Son fluidos los gases y los líquidos, y como ejemplo para su estudio utilizaremos el aire de la atmósfera y el agua.

Todos los cuerpos, incluidos los fluidos, ejercen fuerzas, unos sobre otros, que son consecuencia de la atracción gravitatoria, o bien, de las fuerzas de cohesión entre sus moléculas. Si estas fuerzas se concentran sobre una superficie muy pequeña producirán un efecto mucho mayor que si lo hacen sobre una superficie grande. Así nace el concepto físico de presión, presión atmosférica, presión hidrostática, presión osmótica.

Un líquido está quieto, en equilibrio, porque las fuerzas de cohesión entre sus moléculas se anulan mutuamente ya que empujan unas en sentido contrario a las otras y con igual intensidad. Sin embargo, en la superficie libre del líquido no llegan a anularse. La resultante en estos puntos se le conoce como tensión superficial.

Las paredes del recipiente hacen fuerzas de adhesión con los líquidos por lo que si son diferentes a las de cohesión, el líquido se pegará a las paredes produciendo un menisco.

El líquido contenido en un recipiente ejerce un peso sobre el fondo, que al tener una superficie, nos permite hablar de presión hidrostática. Cuanta más profundidad mayor presión.

El aire de la atmósfera también es un fluido por lo que cuanto más hundidos nos encontremos en ella, mayor presión atmosférica tendremos que soportar.

Hay tres comportamientos de los fluidos especialmente importantes por sus aplicaciones:

·         Al ejercer una presión sobre un líquido ésta se transmite por igual a todos sus puntos. Es el fundamento de la prensa hidráulica. (Principio de Pascal)

·         Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba. Es la fuerza que hace flotar a los barcos, las nubes, los globos…(Principio de Arquímeds

·         Al aumentar la velocidad de un fluido se produce una disminución de la presión. Esta disminución de presión en la parte superior de las alas de un avión hace que se sustente en el aire. (Efecto Venturi)

OBJETIVOS

• Diferenciar y comprender conceptos relacionados con fuerzas de fluidos: concepto de presión, fuerzas en los líquidos, presión hidrostática,  presión en los gases, presión atmosférica, Efecto Venturi,  Principio de Pascal ,. y Arquímedes, determinación de densidades, flotabilidad de los cuerpos, Tensión superficial.
• Calcular fuerzas y presiones en el interior de líquidos.
• Comprobar experimentalmente el principio de Pascal y Arquímedes.

EXPERIMENTACIÓN.

Experiencia 1: Estudio de la presión hidrostática de un fluido.

Vamos a demostrar que en el fondo del agua existe una fuerza que empuja verticalmente, hacia arriba a la moneda, y que esta fuerza es igual al peso del agua que tiene encima.

Material: 1 tubo de vidrio abierto, 1 placa de metal, hilo, 1 vaso de precipitados (500 ml),      1 regla.

Procedimiento:

1. Llena el vaso de precipitados con agua

2. Fija un trozo de hilo a la placa de metal.

2. Toma el tubo de vidrio abierto por ambos extremos y acopla a uno de ellos la placa de metal, manteniendo el hilo tenso.

3. Introduce el tubo en el vaso de precipitados y después suelta el hilo. 

Experiencia 2: Medición de la presión con un tubo en U.

Comprobamos que la presión hidrostática aumenta con la profundidad

Material: 1 tubo en forma de U, 1 regla.

Procedimiento:

1. Introduce el extremo del tubo en forma de U a una profundidad determinada. Observa la diferencia de nivel obtenido en el extremo opuesto.
2. Razona cuál sería el valor de la presión medida.
3. Repite las mediciones para diferentes profundidades.
4. Haz una tabla de valores, estima el posible error que estás cometiendo, lleva los datos a una gráfica y comprueba si se cumple la ecuación matemática obtenida en la práctica anterior

Experiencia 4: Comprobación del principio de Pascal: Prensa hidráulica.

1.- Primero comprueba que la presión en el interior de un líquido es perpendicular a las paredes:

Toma una botella de plástico y realiza varios orificios a diferentes alturas. Llénala con agua y observa que sale siempre perpendicular a la superficie. También sale con mayor fuerza en los orificios de abajo que en los de arriba, ya sabes que la presión aumenta con la profundidad.

2.- Comprueba el principio de Pascal: "La presión ejercida sobre un líquido se transmite por igual a cada punto del líquido y en todas las direcciones".

Puedes llenar con agua un globo con varios orificios, al presionar verás que los chorros salen igual en todas las direcciones.

3.- Demuestra que con una fuerza pequeña se puede mover un peso grande.

Material: 2 jeringuillas de diferente diámetro,  2 pesas de distinta masa, un tubo en forma de U,               agua, colorante y 1 vaso.

Procedimiento:

1. Realiza el montaje de la figura con un tubo de plástico y las 2 jeringuillas.

Llénalo con agua hasta 1/3 de su altura

2. Presiona el émbolo de la jeringuilla de mayor diámetro  y observa cómo es la fuerza en el émbolo de la otra.
3. Presiona ahora el émbolo de menor diámetro y explica cómo es la fuerza ejercida en el otro émbolo en relación con el paso 3. Según lo que has observado, cuál de las dos fuerzas recibida en el otro émbolo es mayor, la del paso 2 o 3? ¿Por qué?

4.  Coloca un objeto pesado sobre la jeringuilla de mayor superficie y presiona el émbolo de la jeringuilla de menor diámetro, ¿consigues levantarlo?.

Repite este paso invirtiendo la colocación del objeto, ahora sobre la jeringuilla menor. ¿Consigues levantarlo?

Experiencia 5: Comprobación del principio de Arquímedes.

Material: 1 dinamómetro, 1 soporte, 1 probeta o tubo de ensayo graduado, una esfera de metal,               agua e hilo.

Procedimiento:

1. Cuelga una esfera de metal de un dinamómetro y anota su peso.
2. Vierte agua en una probeta, hasta la mitad aproximadamente y mide con cuidado el volumen tratando de no cometer error de paralaje.
3. Sumerge la esfera colgada del dinamómetro previamente, tal y como indica la figura, procurando que el agua cubra la esfera por completo y anota su peso.
4. Anota su peso y también el nivel del líquido.
5. Repite este procedimiento (pasos 3 y 4) cinco veces para cometer menos error.