Introducción a la Hidroestática

No podemos iniciar sin antes definir HIDROSTÁTICA es la parte de la Física que estudia los líquidos en estado de equilibrio.

Se alude a un estado de equilibrio, porque los líquidos en aparente estado de reposo en realidad están sujetos a la acción de fuerzas opue stas que se compensan.

Cuando un cuerpo se encuentra apoyando totalmente su peso sobre una superficie, el peso se reparte en forma equivalente sobre toda esa superficie.

LA PRESIÓN es la resultante del ejercicio de una fuerza sobre una superficie.

Fórmula de la presión

La presión es igual al cociente entre la fuerza y la superficie.

P= F

     S

• Como consecuencia, una misma fuerza puede producir diferentes presiones si es ejercida sobre superficies diferentes.
• Del mismo modo, fuerzas desiguales pueden producir iguales presiones si son ejercidas sobre superficies diferentes.

Medida de la presión.

Dada la relación propia de la presión con el peso y la superficie, la unidad de presión está constituída por la ejercida por una unidad de fuerza sobre una unidad de superficie.

Las medidas de presiones se expresan mencionado las unidades de peso sobre unidades de superficie; eligiendo las unidades en forma apropiada a cada caso:

• Kilogramos por centímetro cuadrado.
• Toneladas por metro cuadrado.

Principio de Pascal

  

El Principio de Pascal indica que un líquido ejerce en todas direcciones la presión que se ejerce sobre él.

Asimismo, esa presión se ejerce en forma perpendicular a las superficies sobre las que se aplica.

El principio de Pascal también puede expresarse enunciando que los líquidos transmiten las presiones que reciben.

Por lo tanto, cuando en un sistema abierto por dos extremos - por ejemplo un tubo que contiene un líquido - se ejerce presión en uno de sus extremos, esa presión se producirá en el otro extremo. En realidad, la presión se manifiesta igualmente sobre las paredes del tubo, pero la rigidez y resistencia del mismo la neutraliza, haciendo que se transmita hacia el otro extremo.

Columna Hidráulica

Un líquido colocado en un tubo cilíndrico de gran longitud y poco diámetro, en posición vertical, determina sobre sus moléculas ubicadas en la parte inferior, que soporten el peso de todas las situadas encima de ellas.

A su vez, el peso de la columna hidráulica depende de su volumen y del peso específico del líquido contenido.

 Por lo tanto, efectuando sustituciones en las fórmulas del peso (volumen por peso específico) y de la superficie (base por altura) se obtiene:

La presión en un punto de una columna hidráulica, es igual al peso específico del líquido multiplicado por la altura de la columna.

Por tal motivo, es frecuente describir la presión de una columna hidráulica mencionando solamente el líquido y su altura.

Vasos comunicantes

Se denomina así un sistema abierto por ambos extremos, formado por recipientes vinculados por un tubo en forma de U.

De acuerdo con la fórmula de la columna hidráulica, si se supone que en uno de los recipientes el nivel del líquido es más alto que en el otro, existirá una diferencia de presiones en la parte inferior del tubo; que será igual a la diferencia de alturas entre ambos niveles.

De acuerdo con el Principio de Pascal, la presión mayor tenderá a transmitirse hacia la menor, hasta que ambas se igualen y se neutralicen.

También ocurrirá, como resultado de la fórmula de la columna hidráulica, que el equilibrio se producirá cuando el líquido se encuentre al mismo nivel en ambos recipientes o extremos de los vasos comunicantes.

La diferencia de presiones en un sistema de vasos comunicantes determina que el líquido se encuentre al mismo nivel.

Una aplicación de este efecto, es la que permite conocer el nivel de un líquido en el interior de un tanque cerrado, colocando a uno de sus lados un tubo transparente y graduado, que mide la altura y por lo mismo el contenido del interior del tanque.

Ley Fundamental de la Hidroestática

Si en un sistema de vasos comunicantes se colocan dos líquidos de distinto pesos específicos (por ejemplo agua y mercurio) las presiones en uno y otro lado del sistema se igualarán cuando ambos lados soporten igual peso. Dado que el peso específico del mercurio es superior se requerirá un mayor volumen de agua, la cual quedará a mayor altura.

Debido a la diferencia de pesos específicos, la igualdad de presiones se producirá cuando ambas columnas tengan alturas diferentes.

La Ley fundamental de la hidrostática expresa que: la diferencia de presiones entre dos puntos de un mismo líquido es igual al producto del peso específico del líquido por la diferencia de niveles.

Empuje Hidroestático

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumertido en un líquido recibe de abajo hacia arriba un empuje igual al peso del líquido que desaloja.

El empuje hidrostático que recibe un cuerpo sumergido en un líquido, al ser contrario a la fuerza de gravedad, hace que disminuya su peso en un valor equivalente al peso del líquido desalojado.

El empuje hidrostático que reciba un cuerpo sumergido en un líquido, dependerá en primer lugar del peso específico del líquido en que se sumerja: y en segundo término, del volumen del cuerpo sumergido. Un mismo objeto que se hundiría en el agua, flotará en el mercurio.

Un trozo de metal sumergido en agua se hunde. Pero si con el mismo metal se hace un recipiente cilíndrico, o un pequeño barco, flotará a pesar de tener el mismo peso. Ello será debido a que, en la forma de recipiente o barco, el volumen de agua que se desplaza llega a pesar más que el metal, en tanto que antes, debido al menor volumen y mayor peso específico, el agua desplazada pesaba menos que el trozo de metal.

En realidad, el empuje es igual a la presión que realiza el líquido desplazado para volver a ocupar su espacio, ejercida en forma perpendicular a cada plano del objeto sumergido.

Sifones

Un sifón es un sistema hidráulico compuesto por un recipiente del fondo del cual sale un tubo por arriba, pero que luego cae en forma de U invertida, hasta un nivel inferior al piso del recipiente.

De acuerdo con la fórmula de la columna hidráulica, si el sistema está totalmente lleno de líquido, el peso de la parte externa del tubo (más larga) será mayor que el de la parte interna (más corta); lo cual generará una presión superior igual a la diferencia de niveles entre el líquido en el interior el recipiente y la salida exterior del tubo.

Esa diferencia de presiones es la que hace que se venza el peso de la columna interior, determinando que el líquido suba y sea arrastrado a salir del recipiente.

Para que un sifón funcione, es indispensable por tanto que el tubo sea llenado totalmente de líquido, y llevado su extremo a un nivel inferior al del recipiente de salida. En tal caso, se dice que el sifón se encuentra cebado. Asimismo, es indispensable que por la entrada del tubo no penetre aire, por cuanto en tal caso se vaciaría el líquido del sistema de vasos comunicantes que constituye el sifón.