La hidrodinámica es el área de la física que se dedica a analizar el movimiento de los fluidos. Un fluido, en tanto, es una sustancia cuyas partículas se encuentran unidas entre sí por una fuerza de atracción que resulta débil.
Dado que los líquidos y los gases son fluidos, ambas materias podrían ser objeto de estudio por parte de la hidrodinámica. Sin embargo, esta rama científica se centra en la investigación de las características del movimiento de los fluidos incompresibles: es decir, del agua y de otros líquidos.
De esta manera, la hidrodinámica toma a los líquidos incompresibles (cuya densidad no se altera con las modificaciones de presión) como punto de partida. Además considera que el flujo de los líquidos se da en un régimen estacionario (con una velocidad independiente del tiempo en cualquier punto) y con una pérdida energética por viscosidad que es despreciable.
Se alude a “Hydrodynamica”, una obra publicada en 1738 por el físico suizo Daniel Bernoulli, como el trabajo pionero para el desarrollo de la hidrodinámica. Este científico, de hecho, aporta el nombre a una de las leyes fundamentales de este campo del saber.
El principio de Bernoulli sostiene que, en un fluido ideal que circula por un conducto cerrado, la energía se mantiene constante durante todo el recorrido. Al tratarse de un fluido ideal, no se tienen en cuenta el rozamiento ni la viscosidad.
De este principio deriva el teorema de Torricelli, que postula que la velocidad de un fluido en un recipiente abierto es igual a la de cualquier cuerpo que cae al vacío libremente desde el nivel del fluido hasta llegar al centro de gravedad de la abertura.
Otro concepto importante para la hidrodinámica es el número de Reynolds, un número adimensional que relaciona las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas que actúan en un fluido. Así vincula la velocidad, la viscosidad y la densidad en una expresión.
CONCEPTOS: La hidrostática es una sustancia capaz de tomar la forma del recipiente que lo contiene y está regido por dos teoremas : El principio de Pascal y El Principio de Arquímides.
PRINCIPIO DE ARQUÍMIDES:
“Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido experimenta una pérdida aparente de peso, llamada empuje y simbolizada por la letra E, que es vertical hacia arriba y es proporcional al peso del volumen del fluido desalojado.”
PRINCIPIO DE PASCAL:
“La presión ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.”
FLUIDOS:
Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas hay una fuerza de atracción débil. Los fluidos se caracterizan por cambiar de forma sin que existan fuerzas resolutivas tendentes a recuperar la forma “original” (lo cual constituye la principal diferencia con un solido deformable). Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre si por fuerzas cohesivas débiles y/o las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propios. Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).
TIPOS DE FLUIDOS: Principalmente, existen dos tipos de fluidos: – FLUIDOS LÍQUIDOS:
El líquido es un estado de agregación de la materia en forma de fluido altamente incomprensible (lo que significa que su volumen es, muy aproximadamente, constante en un rango grande de presión).
El estado líquido es un estado de agregación de la materia intermedio entre el estado sólido y el estado gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. Las moléculas en el estado líquido ocupan posiciones al azar que varían con el tiempo. Las distancias intermoleculares son constantes dentro de un estrecho margen. En algunos líquidos, las moléculas tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente propiedades anisótropas (propiedades, como el índice de refracción, que varían según la dirección dentro del material). Los líquidos presentan tensión superficial y capilaridad, generalmente se dilatan cuando se incrementa su temperatura y pierden volumen cuando se enfrían, aunque sometidos a compresión su volumen es muy poco variable a diferencia de lo que sucede con otros fluidos como los gases. Los objetos inmersos en algún líquido son sujetos a un fenómeno conocido como flotabilidad.
FLUIDOS GASEOSOS:
Se denomina gas el estado de agregación de la materia que bajo ciertas condiciones de temperatura y presión permanece en estado gaseoso. Las moléculas que constituyen un gas casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras.
DENSIDAD:
En física y química, la densidad (símbolo p) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.
\rho = \frac{m}{V}\,
Si un cuerpo no tiene una distribución uniforme de la masa en todos sus puntos la densidad alrededor de un punto puede diferir de la densidad media. Si se considera una sucesión pequeños volúmenes decrecientes \Delta V_k (convergiendo hacia un volumen muy pequeño) y estén centrados alrededor de un punto, siendo \Delta m_k la masa contenida en cada uno de los volúmenes anteriores.
Se refiere a una actividad que emplea una fuerza y el movimiento en la dirección de la fuerza. Una fuerza de 20 Newtons empujando un objeto a lo largo de 5 metros en la dirección de la fuerza realiza un trabajo de 100 julios.
T = F · d Trabajo = Fuerza • Distancia
Aquí debemos hacer una aclaración.
Como vemos, y según la fórmula precedente, Trabajo es el producto (la multiplicación) de la distancia ( d) (el desplazamiento) recorrida por un cuerpo por el valor de la fuerza ( F ) aplicada en esa distancia y es una magnitud escalar, que también se expresa en Joule (igual que la energía).
ENERGÍA
Es la capacidad para producir trabajo. - Ud. debe tener energía para realizar un trabajo - es como la moneda para realizar trabajo. Para producir 100 julios de trabajo, Ud. debe gastar 100 julios de energía
ENERGÍA POTENCIAL
Es la energía que posee un cuerpo (una masa) cuando se encuentra en posición inmóvil.
Por ejemplo, una lámpara colgada en el techo del comedor puede, si cae, romper la mesa. Mientras cuelga, tiene latente una capacidad de producir trabajo. Tiene energía en potencia, y por eso se le llama energía potencial .
De modo general, esto significa que un cuerpo de masa m colocado a una altura h , tiene una energía potencial calculable con la fórmula
POTENCIA
Es la velocidad en la realización del trabajo o en el uso de la energía, que numéricamente son lo mismo. Si Ud produce 100 julios de trabajo en un segundo (usando 100 julios de energía), la potencia es de 100 vatios.
Dinámica es la parte de la mecánica que estudia la relación entre el
movimiento y las causas que lo producen (las fuerzas).
El movimiento de un cuerpo es el resultado de las interacciones con otros
cuerpos que se describen mediante fuerzas.
La masa de un cuerpo es una medida de su resistencia a cambiar de
velocidad.
INERCIA
Es la propiedad de los cuerpos de no modificar su estado de reposo o movimiento uniforme, si sobre ellos no influyen otros cuerpos o si la acción de otros cuerpos se compensa.
La masa inercial es una medida de la resistencia de una masa al cambio en velocidad en relación con un sistema de referencia inercial. En física clásica la masa inercial de partículas puntuales se define por medio de la siguiente ecuación, donde la partícula uno se toma como la unidad:
TRABAJO Y ENERGÍA
El trabajoy la energíaaparecen en la mecánica gracias a los teoremas energéticos. El principal, y de donde se derivan los demás teoremas, es el teorema de la energía cinética.
FUERZA Y POTENCIA
Es la mecánica de partículas o medios continuos tiene formulaciones ligeramente diferentes en mecánica clásica, mecánica relativista y mecánica cuántica.
LEYES DE NEWTON
1ª Ley de Newton (ley de inercia): Un cuerpo no sometido a la acción de fuerzas, está en reposo o tiene movimiento rectilíneo uniforme.
2ª Ley de Newton: La fuerza neta sobre un cuerpo es la causa de su aceleración. F = m a
3ª Ley de Newton (ley de acción y reacción): Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido contrario. FAB = - FBA
FUERZA GRAVITATORIA. PESO La Ley de la Gravitación Universal de Newton obtiene la fuerza con que se atraen dos cuerpos separados una distancia
Estática. La Estática es la parte de la Física que estudia los cuerpos sobre los que actúan fuerzas y momentos cuyas resultantes son nulas, de forma que permanecen en reposo o en movimiento no acelerado.
Fuerza
A diferencia de los objetos concretos, la fuerza, (así como ciertos entes de la Física y la Matemática), es un concepto de difícil definición.
Un objeto concreto no presenta problemas para su descripción, ya que se lo ve, se lo toca, sin embargo, la fuerza sólo puede evidenciarse a través de lo que ella es capaz de hacer o de lo que se puede hacer con ella, o sea a través de sus efectos.
La fuerza es todo aquello que es capaz de modificar la velocidad de un cuerpo (en módulo, dirección o sentido) y/o deformarlo o sea cambiarle la forma (aplastarlo, abollarlo, estirarlo, romperlo).
La fuerza es una magnitud vectorial ya que, requiere de los cuatro elementos de un vector para ser expresada completamente.
Tipos de Fuerza
Existen en el universo, cuatro fuerzas fundamentales, a saber:
La fuerza de atracción gravitatoria.
La fuerza de atracción o repulsión electromagnética.
La fuerza nuclear débil.
Fuerza nuclear fuerte.
También percibimos la acción de fuerzas que obedecen macroscópicamente a factores meteorológicos o geológicos (fuerzas provocadas por vientos, mareas, terremotos, volcanes, etc.), las generadas por seres vivos (la fuerza muscular, etc.) y las producidas por mecanismos (motores eléctricos y de combustible, así como turbinas a vapor, etc.) aunque en lo microscópico sus causas se fundan en una o más de las cuatro fuerzas fundamentales antes enunciadas
Medición de fuerzas
Existen muchas maneras de medir fuerzas. Algunos métodos son:
estáticos
dinámicos.
Procedimiento estático basado en el estiramiento de un resorte:
Ciertos dispositivos llamados dinamómetros, emplean la propiedad que tienen los resortes de alargarse o acortarse (deformarse) de modo directamente proporcional a la fuerza aplicada. La ley de deformación de un resorte se conoce como "Ley de Hooke" y su expresión vectorial
En la industria, el comercio y la actividad técnica en general, se emplea como unidad de fuerza, el kilogramo fuerza. Se suele simbolizar entre otras maneras con el símbolo "kgf". Su valor unitario (1 kgf) equivale al peso de un cuerpo llamado "kilogramo patrón".
El Newton: Es la unidad de fuerza del Sistema Internacional de Unidades (S.I.), para su uso en las especificaciones técnicas de máquinas, equipos y automotores. Su empleo es cada vez mayor en la industria y el comercio, aunque por costumbre se siga empleando aún el kilogramo fuerza.
La cinemática es la ciencias que estudia los tipos de movimientos sin preguntarse las causas que lo producen. Se debe hacer notar que en gran parte la física que se propone, según los planes de estudio del Ministerio de Educación, son en término de física puntal. O sea un piedra que cae desde una altura es considerada como un punto, no interesa su dimensiones ni su forma. Toda la masa está concentrada en un punto.
Observador
También llamado sistemas de referencia o marco de referencia, se define en términos de la mecánica clásica, como el lugar geométrico del espacio, donde se ubica un plano cartesiano, el cual tiene un espacio-tiempo determinado. En general todo movimiento es relativo, y deberá siempre estar referido a otro cuerpo. Por ejemplo nosotros estamos en reposo con respecto al pc, sin embargo, con respecto al sol nos estamos moviendo. Para estudiar el movimiento siempre nuestro sistema de referencia estará en reposo o con velocidad constante, y usaremos un sistema de coordenadas cartesianas para cuantificar el movimiento del cuerpo. Los sistemas de referencia utilizados cotidianamente cumplen las siguientes características: Son independientes del movimiento del cuerpo, en otras palabras el observador no altera al cuerpo en movimiento. El tiempo, es absoluto (es igual para cualquier observador del fenómeno). Las ecuaciones que rigen el movimiento de un cuerpo se cumplen equivalentemente, cualquiera sea el sistema que se observe.
POSICIÓN:
Es una magnitud vectorial que se mide en unidades de longitud y corresponde al lugar geométrico- espacial que tiene el cuerpo en un instante dado. En la Fig.1 se observa el vector posición inicial para el cuerpo como también la final. Cabe destacar que para distintos observadores la posición del cuerpo es distinta para cada uno. Ejemplo: La posición de un barco en el puerto de Valparaíso puede se distinta dependiendo del muelle desde la cual se mide. Así para un observador ubicado en el muelle Prat, se verá que el barco hasta al norte, sin embargo desde el muelle Barón, se verá que el cuerpo esta al Noreste.
MOVIMIENTO:
Un cuerpo se mueve cuando, la posición de la partícula cambia con respecto a un observador o sistema de referencia.
Por ejemplo, se puede considerar que una bola que está rodando sobre una cubierta de un barco en movimiento, efectúa un movimiento compuesto respecto de la costa; este movimiento resulta de la composición del rodamiento respecto de la cubierta, que constituye el referencial móvil, y del movimiento de la cubierta respecto de la costa.
TRAYECTORIA:
Es la línea que une todas las posiciones barrida por el cuerpo. Se puede clasificar en curvilíneas y rectilíneas. La trayectoria en la Fig.1 es la curva que va desde el punto A hasta el B.
DISTANCIA:
Corresponde a la longitud de la trayectoria. También es conocida como camino recorrido. está dado por la longitud de la curva que une los puntos A y B. Es una magnitud escalar y se mide en unidades de longitud.
DESPLAZAMIENTO:
Es una magnitud vectorial y se mide en unidades de longitud. Corresponde a la resta vectorial de la posición final de un cuerpo menos la posición inicial. Se obtiene que mientras más juntos estén el vector posición inicial y final, más exacto será.
ACELERACION
La aceleración es la magnitud física que mide la tasa de variación de la velocidad respecto del tiempo. Las unidades para expresar la aceleración serán unidades de velocidad divididas por las unidades de tiempo (en unidades del Sistema Internacional generalmente).
No debe confundirse la velocidad con la aceleración, pues son conceptos distintos, acelerar no significa ir más rápido, sino cambiar de velocidad.
Se define la aceleración media como la relación entre la variación o cambio de velocidad de un móvil y el tiempo empleado en dicho cambio:
Tipos de movimientos
Movimiento rectilíneo
El movimiento rectilíneo es aquel en el que el móvil describe una trayectoria en línea recta.
Movimiento rectilíneo uniforme
En el movimiento rectilíneo uniforme el móvil se desplaza por una recta a velocidad V constante; la aceleración a es cero todo el tiempo. Esto corresponde al movimiento de un objeto lanzado en el espacio fuera de toda interacción, o al movimiento de un objeto que se desliza sin fricción. Siendo la velocidad V constante, la posición variará linealmente respecto del tiempo
Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado o variado
En este movimiento la aceleración es constante, por lo que la velocidad de móvil varía linealmente y la posición cuadráticamente con tiempo
Vector
Un vector tiene tres características esenciales: módulo, dirección y sentido. Para que dos vectores sean considerados iguales, deben tener igual módulo, igual dirección e igual sentido.
Los vectores se representan goemétricamente con flechas y se le asigna por lo general una letra que en su parte superior lleva una pequeña flecha de izquierda a derecha como se muestra en la figura.
Módulo:está representado por el tamaño del vector, y hace referencia a la intensidad de la magnitud ( número). Se denota con la letra solamente A o |A|
Vectores de igual módulo. Todos podrían representar, por ejemplo, una velocidad de 15 km/h, pero en distintas direcciones, por lo tanto todos tendrían distinta velocidad.
Vectores de distinto módulo. Se espera que el vector de menor tamaño represente por ejemplo una velocidad menor que la de los demás.
Vectores de distinto módulo: Así, los vectores de la figura podrían representar velocidades de 20 km/h, 5 km/h y 15 km/h, respectivamente.
Vectores con igual módulo, pero distintas direcciones
Dirección:corresponde a la inclinación de la recta, y representa al ángulo entre ella y un eje horizontal imaginario ( ver figura 2) . También se pueden utilizar los ejes de coordenadas cartesianas (x, y y z) como también los puntos cardinales para la dirección.
Vectores de distinto módulo: Dos vectores tienen la misma dirección cuando la inclinación de la recta que los representa es la misma, es decir, cuando son paralelos.
Vectores de igual dirección: Sin importar hacia dónde apuntan o cuál es su tamaño, los vectores de la figura son paralelos, por lo que tienen la misma dirección.
Muestra tres vectores de distinto módulo, pero igual dirección y sentido
Sentido:está indicado por la punta de la flecha. (signo positivo que por lo general no se coloca, o un signo negativo). No corresponde comparar el sentido de dos vectores que no tienen la misma dirección, de modo que se habla solamente de vectores con el mismo sentido o con sentido opuesto.
Representa dos vectores con igual módulo, dirección, pero sentidos contrarios.
Representación geométrica de un Vector
Ya has aprendido que los vectores son definidos a través de tres características, que son: módulo, dirección y sentido. Aunque su posición en el espacio no es uno de los componentes para definirlo, el estudio de los vectores se facilita si los ubicamos en un sistema decoordenadas cartesianas que nos ayude a tener mayor precisión, de manera de poder representarlos de una forma algebraica como de una manera geométrica.
