Hidrostática para niños
La hidrostática es una parte de la hidráulica que se encarga de estudiar los fluidos líquidos cuando están en reposo. Imagina un vaso de agua quieto: la hidrostática explica por qué el agua se comporta de cierta manera en ese estado.
Esta rama de la ciencia se enfoca en cómo los fluidos se mantienen en equilibrio estable cuando no se mueven. Es lo contrario a la dinámica de fluidos, que estudia los fluidos en movimiento. La hidrostática es una parte de la estática de fluidos, que analiza todos los fluidos (líquidos y gases) cuando están en reposo.
La hidrostática es muy importante para la hidráulica, que es la ingeniería que diseña equipos para guardar, mover y usar fluidos. También es útil en geofísica y astrofísica (para entender las tectónica de placas y la gravedad de la Tierra), en meteorología, en medicina (para la presión sanguínea) y en muchos otros campos.
Gracias a la hidrostática podemos entender fenómenos de la vida diaria. Por ejemplo, por qué la presión atmosférica cambia con la altitud, por qué la madera y el aceite flotan en el agua, y por qué la superficie del agua en reposo siempre está plana y horizontal, sin importar la forma del recipiente.
Contenido
Historia de la Hidrostática
Algunos principios de la hidrostática se conocen desde hace mucho tiempo, de forma práctica e intuitiva. Los constructores de barcos, cisternas, acueductos y fuentes de la antigüedad ya los usaban.
A Arquímedes se le atribuye el descubrimiento del Principio de Arquímedes. Este principio explica que la fuerza que hace flotar un objeto sumergido en un fluido es igual al peso del fluido que el objeto desplaza. El ingeniero Romano Vitruvio ya sabía que las tuberías de plomo podían romperse por la presión hidrostática.
El concepto de presión y cómo los fluidos la transmiten fue explicado por el francés matemático y filósofo Blaise Pascal en 1647.
Descubrimientos Antiguos: Grecia y Roma
La Copa de Pitágoras: Un Vaso Especial
La "copa justa" o Copa de Pitágoras es una tecnología hidráulica que se cree fue inventada por el matemático griego Pitágoras alrededor del siglo VI a. C.. Se usaba como una herramienta para enseñar.
Esta copa tiene una línea grabada en su interior y un pequeño tubo vertical en el centro que llega hasta el fondo. La altura de este tubo es la misma que la línea grabada. Puedes llenar el vaso hasta la línea sin que el líquido se derrame por el tubo central. Pero si pones un poco más de líquido, este se desbordará por el tubo central y la copa se vaciará por completo. Esto ocurre por la forma en que las moléculas del líquido se atraen entre sí.
La Fuente de Herón: Un Chorro Sorprendente
La fuente de Herón es un aparato creado por Herón de Alejandría. Consiste en un chorro de líquido que sale de un depósito. Lo curioso es que la altura del chorro es mayor que la altura del líquido en el depósito, lo que parece ir en contra de los principios de la presión hidrostática.
Este aparato tiene una abertura y dos recipientes colocados uno encima del otro. El recipiente del medio, que está sellado, se llena de líquido. Varios tubos pequeños (llamados cánulas) conectan los diferentes recipientes. El aire atrapado dentro de los recipientes hace que el agua salga a presión por una boquilla, vaciando todo el líquido del depósito intermedio.
Blaise Pascal y sus Aportaciones Clave
Blaise Pascal hizo importantes contribuciones tanto a la hidrostática como a la hidrodinámica. La Ley de Pascal es un principio fundamental que dice que cualquier presión que se aplica a la superficie de un fluido se transmite por igual en todas las direcciones a través de todo el fluido. Esto significa que la presión inicial no cambia.
¿Cómo son los Fluidos? Sus Características Principales
Un fluido es una sustancia cuyas moléculas tienen una fuerza de atracción débil entre sí. La característica principal de los fluidos es que pueden cambiar de forma fácilmente sin que aparezcan fuerzas que los hagan volver a su forma original. Esto es lo que los diferencia de los sólidos, que sí tienen esas fuerzas.
Los estados de la materia como el líquido, el gaseoso y el plasma son fluidos. También hay algunos materiales que se comportan como fluidos, como los glaciares y el magma, en un fenómeno llamado solifluxión.
Las características principales de los fluidos son:
- Cohesión: Es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de la misma sustancia.
- Tensión superficial: Es un fenómeno que ocurre en la superficie de un líquido debido a la atracción entre sus moléculas. Por eso, algunos insectos pueden caminar sobre el agua.
- Adherencia: Es la fuerza de atracción entre las moléculas de dos sustancias diferentes que están en contacto.
- Capilaridad: Se produce cuando un líquido entra en contacto con una pared sólida. Si la pared es un tubo muy delgado (llamado capilar), el líquido puede subir o bajar por él, desafiando la gravedad.
La Presión en los Fluidos en Reposo
Debido a su naturaleza, un fluido no puede permanecer en reposo si hay una fuerza que lo "corta" o lo deforma. Sin embargo, los fluidos sí pueden ejercer presión de forma perpendicular a cualquier superficie con la que estén en contacto.
Si imaginamos un punto en el fluido como un cubo muy pequeño, la presión en cada lado de este cubo debe ser igual para que el fluido esté en reposo. Si no fuera así, el fluido se movería. Por lo tanto, la presión en un fluido en reposo es igual en todas las direcciones. Esta característica permite que los fluidos transmitan la fuerza a través de tuberías. Una fuerza aplicada a un fluido en un extremo de una tubería se transmite al otro extremo. Este principio fue explicado por Blaise Pascal y se conoce como la Ley de Pascal.
En términos de la Mecánica clásica, la presión de un fluido que no se puede comprimir y está en equilibrio se puede calcular con una fórmula sencilla:
Donde P es la presión, ρ (letra griega "rho") es la densidad del fluido, g es la aceleración de la gravedad y h es la altura.
¿Qué es la Presión Hidrostática?
En un fluido en reposo, no hay fuerzas de fricción ni de inercia. El estado de las fuerzas en el sistema se llama hidrostático. La presión hidrostática es la presión que ejerce un fluido debido a la fuerza de la gravedad.
La presión hidrostática se puede calcular con la siguiente fórmula simplificada para líquidos:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): p - p_0 = \rho g h,
Donde p es la presión hidrostática, ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración gravitacional, y h es la altura de la columna de líquido.
Por ejemplo, la presión absoluta comparada con el vacío es:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): p = \rho g H + p_\mathrm{atm},
Donde H es la altura total de la columna de líquido sobre el área de prueba hasta la superficie, y patm es la presión atmosférica, que es la presión del aire sobre la superficie del líquido.
La presión hidrostática se usa incluso en la conservación de alimentos, en un proceso llamado pascalización.
El Principio de Flotabilidad o Empuje de Arquímedes
Cualquier objeto que se sumerge, ya sea total o parcialmente, en un fluido, sentirá una fuerza que lo empuja hacia arriba. Esta fuerza se llama fuerza de flotación o empuje, y es igual en tamaño, pero en dirección opuesta, al peso del fluido que el objeto desplaza. Matemáticamente, se expresa como:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): F = \rho g V
Donde ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración debida a la gravedad, y V es el volumen del fluido que el objeto ha desplazado.
Por ejemplo, en un barco, su peso se equilibra con las fuerzas de presión del agua que lo rodea, lo que le permite flotar. Si se carga más peso en el barco, este se hundirá más en el agua, desplazando más agua y recibiendo así una mayor fuerza de flotación para equilibrar el peso adicional.
El descubrimiento de este principio de flotabilidad se atribuye a Arquímedes.
La Presión del Aire: Presión Atmosférica
La Mecánica estadística nos muestra que, para un gas ideal puro a una temperatura constante en un campo gravitatorio, su presión variará con la altura. Esto se conoce como fórmula barométrica, y se basa en la idea de que la presión es hidrostática.
En medicina, la presión hidrostática en los vasos sanguíneos es la presión de la sangre contra la pared de los vasos.
El Principio de Pascal Explicado
El principio de Pascal es una ley formulada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662). Se resume en la frase: "el aumento de la presión aplicada a la superficie de un fluido que no se puede comprimir (generalmente un líquido), contenido en un recipiente que no se deforma, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo".
Esto significa que si aplicas presión a un líquido que no se puede comprimir dentro de un recipiente cerrado, esa presión se transmite con la misma fuerza en todas las direcciones y sentidos. Este fenómeno se puede ver, por ejemplo, en la prensa hidráulica o en el gato hidráulico. Ambos aparatos funcionan gracias a este principio. Es importante que el recipiente no se deforme para que los cambios de presión se transmitan a todo el líquido y no se usen para cambiar la forma de las paredes.
El Principio de Arquímedes en Detalle
El principio de Arquímedes dice que cualquier cuerpo sólido que esté sumergido total o parcialmente en un fluido será empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del líquido que el cuerpo sólido ha desplazado. El objeto no tiene que estar completamente sumergido en el fluido. Si la fuerza de empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, este flotará y solo estará parcialmente sumergido.
Galería de imágenes
-
Tabla de Hidráulica e Hidrostática, del 1728 en Cyclopaedia, Volumen 1.
Véase también
En inglés: Hydrostatics Facts for Kids
