domingo, 25 de mayo de 2008

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miércoles, 7 de mayo de 2008

trabajos de fisica

PEQUEÑA INTRODUCION
ESTE TEMA RELACIONADO CON LA HIDRAULICA ME A PARECIDO MUY IMPORTANTE YA QUE ES UN TEMA QUE SE RELACIONA CON EL AGUA ADEMAS DE QUE ES UN ELEMENTO INDISPENSABLE PARA LA HUMANIDAD.
PROPOSITO:
Que todo el que quiera introducirse en el tema de la hidraulica no se complique la vida y como dice el libro de la cara oculta de las esferas: las matematicas no son ni aridas ni frias ni aburridas, no es por acerle propaganda a este libro pero su autor te conduce por un camino de flores y no de espinas como lo hacen algunos maestros o acesores de matematicas que te conducen por un camino de espinas y te traumas con la bella pero comlicada rama de las matematicas.


HIDRAULICA
1.1.1 CONCEPTO E IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA HIDRAULICA Y SU DIVICION
La hidráulica es la parte de la física que estudia la mecánica de los fluidos; su estudio es importante ya que nos posibilita analizar las leyes que rigen el movimiento de los líquidos y las técnicas para el mejor aprovechamiento de las aguas.

Hidráulica, aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, para construir dispositivos que funcionan con líquidos, por lo general agua o aceite. La hidráulica resuelve problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos y el diseño de presas de embalse, bombas y turbinas. En otros dispositivos como boquillas, válvulas, surtidores y medidores se encarga del control y utilización de líquidos.
Las dos aplicaciones más importantes de la hidráulica se centran en el diseño de activadores y prensas. Su fundamento es el principio de Pascal, que establece que la presión aplicada en un punto de un fluido se transmite con la misma intensidad a cada punto del mismo. Como la fuerza es igual a la presión multiplicada por la superficie, la fuerza se amplifica mucho si se aplica a un fluido encerrado entre dos pistones de área diferente. Si, por ejemplo, un pistón tiene un área de 1 y el otro de 10, al aplicar una fuerza de 1 al pistón pequeño se ejerce una presión de 1, que tendrá como resultado una fuerza de 10 en el pistón grande. Este fenómeno mecánico se aprovecha en activadores hidráulicos como los utilizados en los frenos de un automóvil, donde una fuerza relativamente pequeña aplicada al pedal se multiplica para transmitir una fuerza grande a la zapata del freno. Los alerones de control de los aviones también se activan con sistemas hidráulicos similares. Los gatos y elevadores hidráulicos se utilizan para levantar vehículos en los talleres y para elevar cargas pesadas en la industria de la construcción. La prensa hidráulica, inventada por el ingeniero británico Joseph Brahma en 1796, se utiliza para dar forma, extrusar y marcar metales y para probar materiales sometidos a grandes presiones.
EN RESUMEN:
La hidráulica es la parte de la física que estudia la mecánica de los líquidos; se divide en hidrostática y en hidrodinámica.
1.1.2CARACTERISTICAS DE LO LIQUIDOS: VISCOSIDAD TENCION SUPERFICIAL, COHESION, ADERENCIA Y CAPILARIDAD.
VISCOSIDAD: Esta propiedad se origina por el rozamiento de unas partículas con otras cuando un líquido fluye. Por tal motivo, la viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia que opone un líquido al fluir.




La tención superficial hace que la superficie libere un liquido se comporte como una finísima membrana elástica.
Este fenómeno se presenta debido a la atracción entre las moléculas del líquido. Cuando se coloca un líquido en un recipiente, las moléculas interiores se atraen entre sí en todas direcciones por fuerzas iguales que se contrarrestan unas con otras, pero las moléculas de la superficie libre del líquido solo son atraídas por las inferiores y laterales más cercanas.


EN RESUMEN
La tención superficial es un fenómeno que se presenta debido a la atracción de las moléculas del líquido. Esto provoca que la superficie libre de un líquido se comporte como una finísima membrana elástica.






COHESION

Es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia. Por la fuerza de cohesión si dos gotas de agua se juntan forman una sola; lo mismo sucede con dos gotas de mercurio.

EN RESUMEN
La cohesión es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia.

La adherencia es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto. Comúnmente las sustancias líquidos se adhieren a los cuerpos sólidos.


Al sacar una varilla de vidrio de un recipiente con agua está completamente mojada, esto significa que el agua se adhiere al vidrio.



En general, cuando el fenómeno de adherencia se presenta significa que la fuerza de cohesión entre las moléculas de una misma sustancia es menor a la fuerza de adherencia que experimenta al contacto con otra. Tal es el caso del agua adherida al vidrio.
EN RESUMEN:
La adherencia es la fuerza de atracción que manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes.
CAPILARIDAD
La capilaridad se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared solida, especialmente si son tubos muy delgados (casi del diámetro de un cabello) llamados capilares.
Al introducir un tubo de diámetro muy pequeño en un recipiente con agua se observa que el líquido haciende por el tubo alcanzando una altura mayor que la de la superficie libre del líquido.
La superficie del líquido contenido en el tubo no es plana, sino que forma un menisco cóncavo.

Debido a la capilaridad, en las lámparas el alcohol y el petróleo hacienden por las mechas; un algodón o un terrón de azúcar sumergidos parcialmente en agua la absorben poco a poco; y la sabia de las plantas circula a través de su tallos.




1.1.3DENCIDAD Y PESO ESPECÍFICO
L a densidad p de una sustancia, también llamada masa especifica , es una propiedad necesaria o intensiva de la materia y expresa la masa contenida de dicha sustancia en la unidad de volumen.


La densidad de los líquidos se determina en forma práctica usando los densímetros. Estos dispositivos se sumergen en el líquido al cual se le va a determinar su densidad y esta se lee, según el nivel que alcance el líquido que flota con base en una escala previamente determinada por el fabricante.
Un densímetro se gradúa colocándolo en diferentes líquidos de densidad conocida, como el agua, el alcohol o el aceite.
Densidad y peso específico

La densidad ρ de una sustancia, también llamada masa específica, es una propiedad característica o intensiva de la materia y expresa la masa contenida de dicha sustancia en la unidad de volumen. Su valor se determina dividiendo la masa de la sustancia entre en volumen que ocupa. Es decir:
ρ =
m
V
ρ =
masa volumen


En el SI las unidades de densidad son Kg/m3

Pe =
P
VEl peso específico de una sustancia se determina dividiendo su peso entre el volumen que ocupa:
Donde: Pe = Peso específico de la sustancia en N/m3
P = Peso de la sustancia en N
V = volumen que ocupa en m3





El peso específico de una sustancia también se puede determinar si se conoce el valor de su densidad y se multiplica por el valor de la gravedad.


ρ = Pe
g
Se puede calcular la densidad si se conoce el valor de su peso específico y lo dividimos entre la gravead.
Pe = ρg


Presión, presión hidrostática, presión atmosférica, presión manométrica y presión absoluta

Presión

La presión indica la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa. Cuando exista presión, una fuerza actuará en forma perpendicular sobre una superficie.
Donde: P = presión en N/m2 = pascal
F = valor de la fuerza perpendicular en N
A = área sobre la que actúa la fuerza en m2
P = F
A


La expresión matemática indica que cuanto mayor sea la fuerza aplicada, mayor será la presión para una misma área.
La presión es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional al área.

Presión hidrostática y paradoja hidrostática de Stevin

La presión hidrostática es la que ejercen los líquidos la cual es perpendicular a la de las paredes del recipiente que los contiene. Dicha presión actúa en todas direcciones y sólo es nula en la superficie libre del líquido. Se origina en el fondo del líquido y en las paredes del recipiente. Esto se debe a la fuerza que el peso de las moléculas ejercen sobre un área determinada: la presión aumenta conforme sea mayor la profundidad.
Ph = Peh
Ph = ρgh La presión hidrostática se calcula multiplicando el peso específico por la altura del líquido. o bien






Donde: Ph =Presión hidrostática en N/m2 = Pascal
ρ = densidad en Kg/m3
g = Gravedad, igual a 9.8m/s2
h = altura en mLa paradoja hidrostática de Stevin señala que: la presión ejercida por un líquido, en cualquier punto de un recipiente, no depende de la forma de éste ni de la cantidad de líquido contenido, sino sólo del peso específico y de la altura de dicho líquido.

Presión atmosférica

La tierra esta rodeada de una capa de aire llamada atmósfera, su peso ejerce una presión sobre todos los cuerpos que están en contacto con él, la cual origina la presión atmosférica. Esta presión varia con la altura, por lo que al nivel del mar tiene su máximo valor o presión normal y equivales a: 1 atmósfera = 760 mm de Hg.
A medida que es mayor la altura sobre el nivel del mar, la presión atmosférica desminuye.

Barómetro de mercurio, experimento de Torricelli

La presión atmosférica se mide con un barómetro, el cual es un instrumento que sirve para determinar en forma experimental la presión atmosférica. Evangelista Torricelli fue el primero en idear un barómetro de mercurio.
En éste la fuerza que equilibra e impide el descenso de la columna de mercurio en el tubo es la que ejerce la presión atmosférica sobre la superficie libre del mercurio, y es la misma que recibe el tubo de vidrio por su extremo abierto.
Al conocerse el experimento, Pascal supuso que si la presión atmosférica tenía su origen en el peso del aire que envolvía a la tierra, la presión barométrica sería menor a mayor altura como consecuencia de disminuir la capa de aire.

Presión manométrica y presión absoluta

Un líquido contenido en un recipiente abierto, además de la presión originada por su peso soporta la presión atmosférica, la cual se trasmite uniforme por todo en volumen del líquido.
En un líquido encerrado en un recipiente, además de la presión atmosférica puede recibir otra presión causada por su calentamiento. La presión diferente a la atmosférica recibe el nombre de presión manométrica y la presión absoluta que soporta el fluido encerrado es igual a la suma de las presiones manométricas y atmosférica.
Los dispositivos para medir la presión manométrica se llaman manómetros. La presión manométrica es igual a la diferencia entre la presión absoluta del interior del recipiente y la presión atmosférica.
Un manómetro es el tubo abierto o manómetro de líquido de mercurio o el metálico.

1.1.4 PRESION, PRESION HIDROSTATICA, PRESION ADMOSFERICA PRESION MANONETRICA Y PRECION ABSOLUTA.
PRESION: La presión indica la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa. En cualquier caso que exista presión, una fuerza actuara en forma perpendicular sobre una superficie. Matemáticamente la presión se expresa por:



DONDE P=Presión en N/ =pascal
F=Valor de fuerza perpendicular a la superficie en newton(N)
A=Área o superficie sobre la que actúa la fuerza en metros cuadrados ( )
La expresión matemática de la presión indica que: cuando mayor sea la fuerza aplicada mayor será la presión para una misma área; así pues, cuando la fuerza aumenta al doble, también la presión se incrementa en la misma proporción, es decir al doble; si la fuerza aumenta al triple siempre y cuando no varié el área sobre la cual actúa la fuerza.
EJEMPLO:
Un ladrillo ejercerá precion sobre el suelo si se colocapior una de sus caras de mayor area, que si se pone por una de menor.

EN RESUMEN:
La presión indica la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa.
La precion que ejercen los líquidos es perpendicular a las paredes del recipienteque los contiene. Dicha precion actua en todas direcionesy sola es nula en la superficie libre del liquido . a esta precion se le llama hidrostática.
La precion hidrostática en cualquier punto puede calcularse multiplicando el peso especifico por la altura que hay desde la superficie libre del liquido hasta el punto considerado.
o bien =pgh
La tierra esta rodeada por una capa de aire llamada admosfera
Principio de Pascal

Todo líquido por su peso produce la presión hidrostática, pero si el líquido se encierra de manera hermética en un recipiente puede aplicársele otra presión mediante un émbolo. Esta presión se transmitirá de modo integro a todos los puntos del líquido. Esta observación la realiza Pascal, por lo que enunció este principio que lleva su nombre:
Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo contiene.
Donde: F = valor de la fuerza del émbolo mayor en N
A = Área del émbolo mayor en m2
f = Valor de la fuerza del émbolo menor
a = Área en el émbolo menor
=
F f
A aLa prensa hidráulica es una de las aplicaciones del principio de Pascal. De acuerdo con el principio de Pascal, ambas presiones son iguales, por tanto la fórmula para la prensa hidráulica es:




Principio de Arquímedes

Cuando un cuerpo se sumerge en un fluido, se observa que dicho fluido ejerce una presión vertical ascendente sobre él.
El empuje que reciben los cuerpos al ser introducidos en un líquido fue estudiado por Arquímedes y enunció éste principio que lleve su nombre: Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado.
En un cuerpo sumergido por completo en un líquido, todos los puntos de sus superficie reciben una presión hidrostática, que es mayor conforme aumenta la profundidad de un punto. Las presione ejercidas sobre las caras laterales opuestas del cuerpo se neutralizan en forma mutua; sin embargo, está sujeto a otras dos fuerzas opuestas: su peso que lo empuja hacia abajo y el empuje del líquido que lo impulsa hacia arriba. De acuerdo a esto tenemos:
· Si el peso de un cuerpo es menor al empuje que recibe, flota.
· Si el peso del cuerpo es igual al empuje que recibe, permanecerá en equilibrio.
· Si el peso del cuerpo es mayor que el empuje, se hunde.
El valor del empuje que recibe un cuerpo sumergido en un líquido se determina al multiplicar el peso específico del líquido por el volumen desalojado de éste: E = PeV
La fuerza debida al empuje ejercido por el fluido cuando un cuerpo se sumerge en él, depende del peso específico y del volumen del fluido desalojado. Un fluido más denso ejercerá, sobre un cuerpo sumergido en él, un mayor empuje que uno de menor densidad a pesar de desplazar el mismo volumen.
Algunas aplicaciones del Principio de Arquímedes son flotación de barcos, submarinos, salvavidas, densímetros, etc.

Concepto de hidrodinámica y sus aplicaciones


Aplicación de la hidrodinámica

Las aplicaciones de la hidrodinámica se muestra en el diseño de canales, puertos, presas, cascos de barcos, hélices, turbinas y conductores.
Algunas de las suposiciones de los líquidos en movimiento son:
Los líquidos son incomprensibles por completo.
Se considera despreciable la viscosidad al no presentar una resistencia.
El flujo de los líquidos se supone estacionario o de régimen estable.

Gasto y ecuación de continuidad

Gasto de un líquido

Donde: G = gasto en m3/s
V = volumen del líquido en m3
t = tiempo en fluir en s




Cuando un líquido fluye a través de una tubería realiza un gasto, que es la relación existente entre el volumen de un líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir.




El gasto también se puede calcular conociendo la velocidad del líquido y el área de la sección transversal de la tubería. Para conocer el volumen de líquido se multiplica el área, la velocidad del líquido y el tiempo que tarda en pasar por los dos puntos. G = Av
El gasto se mide en cm3/s o el litros / segundos


En una tubería que se reduce de manera considerable su sección transversal entre los puntos 1 y 2, al considerar que los líquidos son incomprensibles, es evidente que la cantidad de líquido que pasa por los puntos 1 y 2 es la misma. Para ello, en el tubo de mayor sección transversal la velocidad del líquido es menor a la que adquiere al pasar al punto 2, donde la reducción de área se compensa con el aumento de la velocidad del líquido. Por tanto, el gasto en el punto 1 es igual al gasto en el punto 2.
G1 = G2 =constante o bien, según la ecuación de continuidad es A1v1 = A2v2

Teorema de Bernoulli y sus aplicaciones

Teorema de Bernoulli
Daniel Bernoulli estudio el comportamiento de los líquidos y descubrió que la presión de un fluido que fluye por una tubería es baja si su velocidad es alta y es alta si su velocidad es baja. Por esto Bernoulli enuncia un teorema que lleva su nombre y es:
En un líquido ideal cuyo flujo es estacionario, la suma de las energías cinética, potencial y de presión que tiene un líquido en un punto es igual a la suma de estas energías en otro punto cualquiera.
Un líquido tiene tres tipo de energía en cualquier punto
a) Energía cinética: debido a la velocidad y masa del líquido: Ec =1/2 m v2
b) Energía potencial: debido a la altura de un líquido respecto a un punto de
c)
d)
referencia: Ep = mgh

c)
Donde: Epresión = energía de presión en J
P = presión en N/m2
M = masa del líquido en Kg.
ρ = densidad del líquido en kg/m3
Energía de presión: originada por la presión que las moléculas del líquido
ejercen entre sí, por lo cual el trabajo realizado por el desplazamiento de las moléculas el igual a la energía de presión. Como la energía de presión es igual al trabajo realizado, tenemos: Epresión = P*m/ρ


De acuerdo con el Teorema de Bernoulli, la suma de las energías cinética, potencial y de presión en el punto 1 es igual a la suma de estas energías en el punto 2:
Ec1 + Ep1 + Epresión1 = Ec2 + Ep2 + E presión 2
2 P1 2 P1
V12 + gh1 + P1= v22 + gh2 + P2
La fórmula para expresar la energía por la unidad de masa según el Teorema de Bernoulli es:



Aplicaciones del Teorema de Bernoulli

Es importante reflexionar que al aumentar la velocidad de un fluido que circula por una tubería, la presión que se reduce es la que el fluido ejerce sobre el conducto o tubería por la que circula, ya que la presión que ejerce sobre los cuerpos u objetos que se interponen en su camino tiene un valor que puede ser considerable.
Algunas otras aplicaciones son las siguientes:

A) Teorema de Torllirice:
Donde: v = velocidad del líquido en m/s
g = gravedad = 9.8 m/s2
h = profundidad del orificio en mSe tiene cuando se quiere conocer la velocidad de salida de un líquido a través de un orificio en un recipiente. La fórmula matemática para calcular la velocidad de salida en el oficio es: v = √2gh



Torricelli enunció éste Teorema que lleva su nombre:
La velocidad con que sale un líquido por el orificio de un recipiente es igual a la que adquiere un cuerpo que se deje caer libremente desde la superficie libre líquido hasta el nivel del orificio.

B) Tubo de Pitot
El tubo de Pitot se utiliza para medir de forma sencilla la velocidad de la corriente de un río. La forma del tubo es una L que al introducirlo en la corriente, por la presión de ésta el agua se eleva a cierta altura sobre la superficie. Conocida la altura, la velocidad de la corriente se puede calcular si se emplea la fórmula del Teorema de Torricelli: v = √2gh

C) Tubo de Venturi
Se emplea para medir la velocidad de un líquido que circula a presión dentro de una tubería. Dicho tubo tiene un estrechamiento que cuando el líquido pasa por esta sección aumenta su velocidad, pero disminuye se presión. Al medir la presión con los manómetros y conocer el valor de las áreas de sus secciones transversales se puede calcular la velocidad del líquido a través de la tubería por la cual circula si se utiliza la fórmula obtenida de Bernoulli: vA = √ 2/ρ(PA-PB)/(AA/BB)2-1

D) Fuerza de sustentación de los aviones
Otra aplicación es en la fuerza de sustentación que posibilita el vuelo de los aviones; al observar la forma del ala de un avión, notamos que su cara superior es curva y la inferior plana. Cuando el avión está en movimiento, la velocidad del aire que pasa por la parte superior del ala es mayor que la que pasa por la parte inferior para no retrasarse respecto a la demás masa del aire. Este aumento de velocidad en la parte superior origina disminución de la presión en esa cara, por eso, al ser mayor la presión en la cara inferior del ala, el avión recibe una fuerza que lo impulsa en forma ascendente, lo que posibilita que pueda sostenerse en el aire al aumentar su velocidad.

Movimiento de los cuerpos sólidos en los fluidos

Cuando un cuerpo sólido se mueve en un fluido experimenta una resistencia que se opone a su movimiento, esta fuerza es la fuerza de fricción viscosa. Cuando el movimiento de un fluido se presenta de manera desordenada, el desplazamiento de sus capas no siguen trayectorias paralelas, por lo que describen trayectorias sinuosas, produciendo turbulencias.
La aerodinámica estudia las formas más adecuadas para que móvil que se va a construir disminuya la fuerza de fricción viscosa del aire.