Hidrostática para niños
La hidrostática es la rama de la hidráulica que estudia los fenómenos asociados a los fluidos que se encuentran en estado de reposo.
Abarca el estudio de las condiciones en las que los fluidos están en reposo en equilibrio estable, en contraposición a la dinámica de fluidos, el estudio de los fluidos en movimiento. La hidrostática es una subcategoría de la estática de fluidos, que es el estudio de todos los fluidos, tanto compresibles como incompresibles, en reposo.
La hidrostática es fundamental para la hidráulica, la ingeniería de equipos para almacenar, transportar y utilizar fluidos. También es relevante para la geofísica y la astrofísica (por ejemplo, para comprender la tectónica de placas y las anomalías del campo gravitatorio de la Tierra), para la meteorología, para la medicina (en el contexto de la presión sanguínea), y muchos otros campos.
La hidrostática ofrece explicaciones físicas para muchos fenómenos de la vida cotidiana, como 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 está siempre nivelada y horizontal sea cual sea la forma de su recipiente.
Contenido
Historia
Algunos principios de la hidrostática han sido conocidos en un sentido empírico e intuitivo desde la antigüedad, por los constructores de barcos, cisternas, acueductos y fuentes. A Arquímedes se le atribuye el descubrimiento del Principio de Arquímedes, que relaciona la fuerza de flotación de un objeto sumergido en un fluido con el peso del fluido desplazado por el objeto. El ingeniero Romano Vitruvio advirtió a los lectores de que las tuberías de plomo estallaban bajo presión hidrostática.
El concepto de presión y la forma en que es transmitida por los fluidos fue formulado por el francés matemático y filósofo Blaise Pascal en 1647.
La hidrostática en la antigua Grecia y Roma
Copa de Pitágoras
La "copa justa" o Copa de Pitágoras, que data aproximadamente del siglo VI a. C., es una tecnología hidráulica cuya invención se atribuye al matemático y geómetra griego Pitágoras. Se utilizaba como herramienta de aprendizaje.
La copa consiste en una línea tallada en el interior de la copa, y un pequeño tubo vertical en el centro de la copa que conduce al fondo. La altura de este tubo es la misma que la línea tallada en el interior de la taza. El vaso puede llenarse hasta la línea sin que pase ningún fluido al tubo del centro del vaso. Sin embargo, cuando la cantidad de fluido supera esta línea de llenado, el fluido se desbordará por el tubo del centro de la taza. Debido al arrastre que ejercen las moléculas entre sí, el vaso se vaciará.
Fuente de Herón
La fuente de Herón es un dispositivo inventado por Herón de Alejandría que consiste en un chorro de fluido alimentado por un depósito de fluido. La fuente está construida de tal manera que la altura del chorro excede la altura del fluido en el depósito, aparentemente violando los principios de la presión hidrostática. El dispositivo consistía en una abertura y dos recipientes dispuestos uno encima del otro. El recipiente intermedio, que estaba sellado, estaba lleno de fluido, y varias cánulas (un pequeño tubo para transferir fluido entre recipientes) conectaban los distintos recipientes. El aire atrapado en el interior de los recipientes induce un chorro de agua que sale por una boquilla, vaciando toda el agua del depósito intermedio.
Contribución de Pascal en hidrostática
Pascal contribuyó al desarrollo tanto de la hidrostática como de la hidrodinámica. La Ley de Pascal es un principio fundamental de la mecánica de fluidos que establece que cualquier presión aplicada a la superficie de un fluido se transmite uniformemente por todo el fluido en todas las direcciones, de tal forma que las variaciones iniciales de presión no se modifican.
Características de los fluidos
Se denomina fluido a aquel medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas solamente hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay fuerzas restitutivas).
Los estados de la materia líquido, gaseoso y plasma, son fluidos, además de algunos que presentan características de estos, un fenómeno conocido como solifluxión y que lo presentan, entre otros, los glaciares y el magma.
Las características principales que presenta todo fluido son:
- Cohesión. Fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia.
- Tensión superficial. Fenómeno que se presenta debido a la atracción entre las moléculas de la superficie de un líquido.
- Adherencia. Fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto.
- Capilaridad. Se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, debido al fenómeno de adherencia. En caso de ser la pared un recipiente o tubo muy delgado (denominados "capilares") este fenómeno se puede apreciar con mucha claridad.
Presión de un fluido en equilibrio
En términos de Mecánica clásica, la presión de un fluido incompresible en estado de equilibrio se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
donde P es la presión, ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración de la gravedad y h es la altura.
Principio de Pascal
El principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: «el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible (generalmente se trata de un líquido incompresible), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo».
Es decir, que si se aplica presión a un líquido no comprimible en un recipiente cerrado, esta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de fenómeno se puede apreciar, por ejemplo, en la prensa hidráulica o en el gato hidráulico; ambos dispositivos se basan en este principio. La condición de que el recipiente sea indeformable es necesaria para que los cambios en la presión no actúen deformando las paredes del mismo en lugar de transmitirse a todos los puntos del líquido.
Principio de Arquímedes
El principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo sólido que se encuentre sumergido total o parcialmente en un fluido será empujado en dirección ascendente por una fuerza igual al peso del líquido desplazado por el cuerpo sólido. El objeto no necesariamente ha de estar completamente sumergido en dicho fluido, ya que si el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, este flotará y estará sumergido solo parcialmente.
Véase también
En inglés: Hydrostatics Facts for Kids
- Ecuación fundamental de la hidrostática
