Hidrostática es un área de física que estudia el líquidos en reposo. Esta rama involucra varios conceptos como densidad, presión, volumen y fuerza de flotación.

Hidrostática: Conceptos principales

Densidad

La densidad determina la concentración de materia en un volumen dado.

En cuanto a la densidad del cuerpo y los fluidos tenemos:

  • Si la densidad del cuerpo es menor que la densidad del fluido, el cuerpo flotará en la superficie del fluido;
  • En efecto densidad corporal es equivalente a la densidad del fluido, el cuerpo estará en equilibrio con el fluido;
  • Si la densidad corporal es mayor que la densidad del fluido, el cuerpo se hundirá.

Para calcular la densidad, use la siguiente fórmula:

d = m / v

ser

d: densidad
m: masa
v: volumen

En el sistema internacional (SI):

  • la densidad es en gramos por centímetro cúbico (g / cm3), pero también puede expresarse en kilogramos por metro cúbico (kg / m3) o en gramos por mililitro (g / mL);
  • la masa está en kilogramos (kg);
  • el volumen está en metros cúbicos (m3)

Presión

La presión es un concepto hidrostático esencial, y en esta área de estudio se llama presión hidrostática. Determina la presión que los fluidos ejercen sobre los demás.

Como ejemplo, podemos pensar en la presión que sentimos cuando nadamos. Por lo tanto, cuanto más profundo buceamos, mayor será la presión hidrostática.

Este concepto está estrechamente relacionado con la densidad del fluido y la aceleración de la gravedad. Por lo tanto, la presión hidrostática se calcula mediante la siguiente fórmula:

P = d. h. g

Donde

P: presión hidrostática
d: densidad del líquido
h: altura del líquido en el recipiente
g: aceleración de la gravedad

En el Sistema Internacional (SI):

  • la presión hidrostática está en Pascal (Pa), pero también en la atmósfera (atm) y el milímetro de mercurio (mmHg);
  • la densidad del líquido es en gramos por centímetro cúbico (g / cm3);
  • la altura es en metros (m);
  • la aceleración de la gravedad es en metros por segundo al cuadrado (m / s2)

Obs: Tenga en cuenta que la presión hidrostática no depende de la forma del recipiente. Depende de la densidad del fluido, la altura de la columna de líquido y la gravedad del sitio.

Flotabilidad

El empuje, también llamado empuje, es un fuerza hidrostática que actúa sobre un cuerpo que está inmerso en un fluido. Por lo tanto, la fuerza de flotación es la fuerza resultante ejercida por el fluido sobre un cuerpo dado.

Como ejemplo, podemos pensar en nuestro cuerpo que se ve más liviano cuando estamos en el agua, ya sea en la piscina o en el mar.

Tenga en cuenta que esta fuerza ejercida por el líquido sobre el cuerpo ya se estudió en la antigüedad.

El matemático griego Arquímedes fue quien realizó un experimento hidrostático que permitió calcular el valor de la fuerza de flotación (vertical y ascendente) que hace que un cuerpo sea más ligero dentro de un fluido. Tenga en cuenta que actúa en la dirección opuesta a la fuerza de peso..

Fuerza de empuje y accionamiento de fuerza de peso

Así, la declaración del teorema de Arquímedes o ley de flotabilidad es:

Cada cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado, por lo que los cuerpos más densos que el agua se hunden mientras que los menos densos flotan.

Con respecto a la fuerza de flotación, podemos concluir que:

  • Si la fuerza de empuje (E) es mayor que la fuerza de peso (P), el cuerpo se elevará a la superficie;
  • En efecto la fuerza de empuje (E) tiene la misma intensidad que la fuerza de peso (P), el cuerpo no subirá ni bajará, sino que permanecerá en equilibrio;
  • Si la fuerza de empuje (E) es menos intensa que la fuerza de peso (P), el cuerpo se hundirá.

Recuerde que la fuerza de flotación es un grandeza del vector, es decir, tiene dirección, módulo y dirección.

En el Sistema Internacional (SI), el empuje (E) se da en Newton (N) y se calcula mediante la siguiente fórmula:

E = df . Vfd . g

Donde

E: fuerza de flotación
df: densidad del fluido
Vfd: volumen de fluido
g: aceleración de la gravedad

En el Sistema Internacional (SI):

  • la densidad del fluido es en kilogramos por metro cúbico (kg / m3);
  • El volumen de fluido está en metros cúbicos (m3);
  • la aceleración de la gravedad es en metros por segundo al cuadrado (m / s2)

Equilibrio hidrostático

El equilibrio hidrostático fue inventado por el físico, matemático y filósofo italiano Galileo Galilei (1564-1642).

Basado en Principio de Arquímedes, este instrumento sirve para medir la fuerza de flotación ejercida sobre un cuerpo sumergido en un fluido.

Es decir, determina el peso de un objeto sumergido en un líquido, que a su vez es más ligero que en el aire.

Ley Fundamental de Hidrostática

El teorema de Stevin Es conocida como la “Ley Fundamental de Hidrostática”. Esta teoría postula la relación de variación entre los volúmenes de líquido y la presión hidrostática. Su declaración se expresa de la siguiente manera:

La diferencia entre las presiones de dos puntos de un fluido de equilibrio (en reposo) es igual al producto entre la densidad del fluido, la aceleración de la gravedad y la diferencia entre las profundidades de los puntos.. “

El teorema de Stevin está representado por la siguiente fórmula:

∆P = γ ∆h o ∆P = d. g. ∆h

Donde

∆P: variación de la presión hidrostática
γ: peso específico del fluido
∆h: variación de la altura de la columna de líquido
d: densidad
g: aceleración de la gravedad

En el Sistema Internacional (SI):

  • la variación de la presión hidrostática está en Pascal (Pa);
  • El peso específico del fluido está en Newton por metro cúbico (N / m3);
  • la altura de la columna del líquido está en metros (m);
  • la densidad es en kilogramos por metro cúbico (kg / m3);
  • la aceleración de la gravedad es en metros por segundo al cuadrado (m / s2)

Hidrostática e Hidrodinámica

Mientras que la hidrostática estudia líquidos en reposo, la hidrodinámica es la rama de la física que estudia el movimiento de estos fluidos.

Ejercicios de examen de ingreso a la universidad

1. (PUC-PR) La flotabilidad es un fenómeno muy familiar. Un ejemplo es la relativa facilidad con la que puede levantarse desde el interior de una piscina en comparación con tratar de levantarse fuera del agua, es decir, en el aire.

De acuerdo con el principio de Arquímedes, que define la flotabilidad, marque la proposición correcta:

a) Cuando un cuerpo flota en el agua, el empuje recibido por el cuerpo es menor que el peso corporal.
b) El principio de Arquímedes se aplica solo a cuerpos sumergidos en líquidos y no se puede aplicar a gases.
c) Un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido sufre una fuerza vertical ascendente igual al módulo del peso del fluido desplazado.
d) Si un cuerpo se hunde en el agua con velocidad constante, el empuje es cero.
e) Dos objetos del mismo volumen, cuando se sumergen en líquidos de diferentes densidades, sufren empujes iguales.

2. (UERJ-RJ) Una balsa, cuya forma es un rectángulo rectangular, flota en un lago de agua dulce. La base de su casco, cuyas dimensiones son 20 m de largo y 5 m de ancho, es paralela a la superficie libre del agua y está sumergida a cierta distancia de esa superficie. Suponga que la balsa está cargada con 10 autos, cada uno con un peso de 1,200 kg, de modo que la base del casco permanezca paralela a la superficie libre del agua pero sumergida a una distancia d de esa superficie.

Si la densidad del agua es 1.0 × 103 kg / m3, la variación (d – do) en centímetros es: (g = 10m / s2)

a) 2
b) 6
c) 12
d) 24
e) 22

3. (UNIFOR-CE) Dos líquidos químicamente inertes, no miscibles, A y B, con densidades dA = 2.80g / cm3 y dB = 1.60 g / cm3respectivamente se colocan en el mismo contenedor. Sabiendo que el volumen del líquido A es el doble que el de B, la densidad de la mezcla, en g / cm3, vale la pena:

a) 2.40
b) 2.30
c) 2.20
d) 2.10
e) 2.00