Estados de la materia y cambios de estado.

Los líquidos y los gases son mejor conocidos como fluidos. Cuando están en movimiento, la Hidrodinámica se encarga de su estudio, y cuando están en reposo, la rama de la física que estudia los fluidos es la Hidrostática. Ambas ramas de la física forman parte de la Hidráulica (rama de la mecánica encaqrgada de estudiar el movimiento).

Propiedades de los fluidos:

1)     Viscosidad.- Propiedad que se opone al movimiento o fluidez.

2)    Cohesión.- Fuerza intermolecular que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia.

3)    Adherencia.- Fuerza intermolecular que mantiene unidas a las moléculas de diferentes sustancias.

4)    Tensión superficial.- Propiedad que permite a la superficie de los líquidos comportarse como una membrana elástica.

5)    Densidad.- Masa contenida en un volumen.

Los líquidos y los gases tienen propiedades comunes, por lo que son llamados fluidos de manera indistinta, sin embargo, también tienen diferencias que los hacen indentificarse:

Característica	Líquido	Gas
Forma	No tienen forma propia, adoptan la del recipiente que los contiene	No tienen forma propia, llenan el recipiente que los contiene
Volumen	Definido	Indefinido
Compresibilidad	No se pueden comprimir	Son altamente compresibles
Movimiento molecular	Sus moléculas se mueen unas encina de otras	Sus moléculas se mueven sueltas.

Bernoulli y Torricelli, ambos científicos de la misma época, desarrolaron teoremas en función del movimiento de los fluídos y Pascal y Arquímides (en muy diferentes épocas) crearon principios a partir del estudio en reposo de los fluidos.

Teorema de Bernoulli.- La presión dentro de un fluido disminuye cuando su velocidad aumenta, y viceversa.

Teorema de Torricelli.- La velocidad a la que sale un fluido por un orificio del recipiente que lo contiene es equivalente a la velocidad en caída libre que tendría un objeto desde su superficie del recipiente y hasta el nivel del orificio.

Principio de Arquímides.- Todo cuerpo sumergido en un fluído recibe un empuje ascendente igual al peso del fluído desalojado.

Principio de Pascal.- Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente se trasmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido del recipiente y del recipiente.

Determinación de presión: La siguiente fórmula es para determinar la presión ejercida en materia sólida.

P= F/A

Problemas de presión en sólidos.

Calcula la presión que ejerce un cilindro de acero de 2 kg apoyado por una de sus bases que tiene 3 cm de radio.

Calcula la presión que ejerce Luis cuando está sobre sus dos pies suponiendo que cada pie tiene una superficie de 200 cm² y que Luis tiene una masa de 70 kg.

La presión en el interior de un fluido se calcula con la siguiente fórmula:

P=dgh

Calcula la fuerza que actúa sobre una chapa cuadrada de 10 cm de lado sumergida en agua a una profundidad de 40 cm. Densidad del agua 1000 kg/m³.

¿Qué fuerza actúa sobre la espalda de un buceador si bucea a 3 m de profundidad en agua dulce y su espalda tiene una superficie de 0,3 m²?

Un submarino puede bajar hasta los 2000 m de profundidad en agua dulce, calcula la presión que soporta. ¿A qué profundidad podría bajar si se sumerge en mercurio que tiene una densidad de 13600 g/L?

¿Con qué fuerza hay que tirar para quitar el tapón de una bañera llena de agua hasta los 80 cm si el tapón es circular y de radio 3 cm?

LEY DE PASCAL

Aunque los dos sean fluidos hay una diferencia importante entre los gases y los líquidos, mientras que los líquidos no se pueden comprimir en los gases sí es posible. Esto lo puedes comprobar fácilmente con una jeringuilla, llénala de aire, empuja el émbolo y veras cómo se comprime el aire que está en su interior, a continuación llénala de agua (sin que quede ninguna burbuja de aire) observarás que por mucho esfuerzo que hagas no hay manera de mover en émbolo, los líquidos son incompresibles. 

Esta incompresibilidad de los líquidos tiene como consecuencia el principio de Pascal (s. XVII), que dice que si se hace presión en un punto de una masa de líquido esta presión se transmite a toda la masa del líquido.

Como puedes ver en esta experiencia si se hace presión con la jeringuilla en un punto del líquido que contiene la esfera, esta presión se transmite y hace salir el líquido a presión por todos los orificios.

La aplicación mas importante de este principio es la prensa hidráulica, ésta consta de dos émbolos de diferente superficie unidos mediante un líquido, de tal manera que toda presión aplicada en uno de ellos será transmitida al otro. Se utiliza para obtener grandes fuerzas en el émbolo mayor al hacer fuerzas pequeñas en el menor.

La presión ejercida en el émbolo 1 se transmitirá al émbolo 2, así pues p₁ = p₂ y por tanto 

que constituye la fórmula de la prensa hidráulica, siendo F y A fuerza y superficie respectivamente. Como A₂ es grande, la fuerza obtenida en ese émbolo F₂ también lo será.

Se desea elevar un cuerpo de 1000 kg utilizando una elevadora hidráulica de plato grande circular de 50 cm de radio y plato pequeño circular de 8 cm de radio, calcula cuánta fuerza hay que hacer en el émbolo pequeño.

Ejercicios

1. Calcula la fuerza obtenida en el émbolo mayor de una prensa hidráulica si en el menor se hacen 5 N y los émbolos circulares tienen triple radio uno del otro.

2. Sobre el plato menor de la prensa se coloca una masa de 6 kg, calcula qué masa se podría levantar colocada en el plato mayor.

TORRICELLI Y LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

 Estamos sumergidos dentro de un fluido, la atmósfera, por tanto, nos encontramos sometidos a una presión, ésta se conoce como presión atmosférica. Es una presión elevada pero estamos tan acostumbrados a ella que ni nos enteramos. Por ser un gas no podemos calcularla mediante el principio fundamental pero sí podemos medirla experimentalmente. El primero en medirla fue Torricelli (s. XVII) que realizó un famoso experimento.

Tomó un tubo de un metro de largo (en realidad puede ser de más) y lo llenó hasta el borde con mercurio. A continuación tapó con el dedo el extremo abierto, dio la vuelta al tubo e introdujo su extremo, sin que se derrame nada, en un recipiente que también contenía mercurio. Quitó el dedo y observó que el mercurio descendía en el interior del tubo hasta alcanzar una altura de 76 cm en lugar del metro inicial.

Sobre el punto B actúa la presión atmosférica y sobre el punto A sólo actúa la presión hidrostática de la columna de mercurio (encima de ésta hay vacío, lógicamente). Como ambos puntos están en la misma horizontal de un mismo líquido deben estar sometidos a la misma presión, basta calcular la presión del mercurio en A para obtener la presión atmosférica en B.

p_B = p_atm = p_A= d_Hg · g · h = 13600 · 9,8 · 0,76 = 101300 Pa

Este valor de 101300 Pa se conoce como presión atmosférica normal a nivel del mar y define una unidad de presión bastante habitual: la "atmósfera" que equivale a esos Pascales. También es frecuente utilizar como unidad de presión "los milímetros de mercurio" (mmHg), 760 mmHg equivalen a una atmósfera de presión.

1 atm = 760 mmHg = 101300 Pa

La presión atmosférica varía con la altitud, a mayor altitud menos aire encima y por tanto menos presión, también influye la situación meteorológica de tal manera que cuando está cubierto la presión baja y si está despejado sube, por eso la medida de la presión atmosférica es muy útil en meteorología. Los instrumentos para medir la presión atmosférica se llaman barómetros, hoy en día el barómetro de mercurio no se utiliza, se utilizan los barómetros aneroides más prácticos, en éstos la presión suele medirse en milibares (mbar), la equivalencia es de 1013 mbar = 1 atmósfera.