Presión

Presión de fluidoedItar

La presión de fluido es con mayor frecuencia la tensión de compresión en algún punto dentro de un fluido. (El término fluido se refiere tanto a líquidos como a gases; para obtener más información específica sobre la presión del líquido, consulte la sección a continuación.)

La presión del fluido ocurre en una de dos situaciones:

1. Una condición abierta, llamada “flujo de canal abierto”, por ejemplo, el océano, una piscina o la atmósfera.
2. Una condición cerrada, denominada “conducto cerrado”, por ejemplo, una línea de agua o de gas.

La presión en condiciones abiertas generalmente se puede aproximar a la presión en condiciones” estáticas ” o no móviles (incluso en el océano donde hay olas y corrientes), porque los movimientos crean solo cambios insignificantes en la presión. Tales condiciones se ajustan a los principios de la estática fluida. La presión en cualquier punto dado de un fluido inmóvil (estático) se denomina presión hidrostática.

Los cuerpos cerrados de fluido son “estáticos”, cuando el fluido no se mueve, o” dinámicos”, cuando el fluido puede moverse como en una tubería o comprimiendo un espacio de aire en un recipiente cerrado. La presión en condiciones cerradas se ajusta a los principios de la dinámica de fluidos.

Los conceptos de presión de fluido se atribuyen predominantemente a los descubrimientos de Blaise Pascal y Daniel Bernoulli. La ecuación de Bernoulli se puede usar en casi cualquier situación para determinar la presión en cualquier punto de un fluido. La ecuación hace algunas suposiciones sobre el fluido, como que el fluido es ideal e incompresible. Un fluido ideal es un fluido en el que no hay fricción, es invisible (viscosidad cero). La ecuación para todos los puntos de un sistema lleno de un fluido de densidad constante es

p γ + v 2 2 g + z = c o n s t, {\displaystyle {\frac {p} {\gamma}} +{\frac {v^{2}}{2g}}+z = \mathrm {const} ,}

donde:

p, presión del fluido, γ {\displaystyle {\gamma }}

= pg, densidad × aceleración de la gravedad es el peso específico (volumen) del fluido, v, velocidad del fluido, g, aceleración de la gravedad, z, elevación, p γ {\displaystyle {\frac {p} {\gamma }}}

, cabezal de presión, v 2 2 g {\displaystyle {\frac {v^{2}}{2g}}}

, cabeza de velocidad.

Aplicacioneseditar

• Frenos hidráulicos
• Pozo artesiano
• Presión arterial
• Cabezal hidráulico
• Turgencia de células vegetales
• Copa pitagórica

Explosión Presiones de deflagración o presión de deflagracióneditar

Las presiones de explosión o de deflagración son el resultado de la ignición de gases explosivos, nieblas, suspensiones de polvo/aire, en espacios no confinados y confinados.

Presiones negativaseditar

Si bien las presiones son, en general, positivas, hay varias situaciones en las que se pueden encontrar presiones negativas:

• Cuando se trata de presiones relativas (de calibre). Por ejemplo, una presión absoluta de 80 kPa puede describirse como una presión manométrica de -21 kPa (es decir, 21 kPa por debajo de una presión atmosférica de 101 kPa). Por ejemplo, la descompresión abdominal es un procedimiento obstétrico durante el cual se aplica presión manométrica negativa de forma intermitente en el abdomen de una mujer embarazada.
• Presiones absolutas negativas son posibles. Son una tensión efectiva, y tanto los sólidos a granel como los líquidos a granel se pueden someter a una presión absoluta negativa tirando de ellos. Microscópicamente, las moléculas en sólidos y líquidos tienen interacciones atractivas que dominan la energía cinética térmica, por lo que se puede mantener cierta tensión. Termodinámicamente, sin embargo, un material a granel bajo presión negativa se encuentra en un estado metaestable, y es especialmente frágil en el caso de líquidos donde el estado de presión negativa es similar al sobrecalentamiento y es fácilmente susceptible a la cavitación. En ciertas situaciones, se puede evitar la cavitación y mantener indefinidamente las presiones negativas, por ejemplo, se ha observado que el mercurio líquido se mantiene hasta -425 atm en recipientes de vidrio limpios. Se cree que las presiones líquidas negativas están involucradas en el ascenso de la savia en plantas de más de 10 m (la cabeza de presión atmosférica del agua).
• El efecto Casimir puede crear una pequeña fuerza de atracción debido a las interacciones con la energía del vacío; esta fuerza a veces se denomina “presión de vacío” (no debe confundirse con la presión manométrica negativa de un vacío).
• Para tensiones no isotrópicas en cuerpos rígidos, dependiendo de cómo se elija la orientación de una superficie, la misma distribución de fuerzas puede tener un componente de presión positiva a lo largo de una superficie normal, con un componente de presión negativa que actúa a lo largo de otra superficie normal.
  • Las tensiones en un campo electromagnético son generalmente no isotrópicas, con la presión normal a un elemento de superficie (la tensión normal) siendo negativa, y positiva para los elementos de superficie perpendiculares a esta.
• En cosmología, la energía oscura crea una cantidad muy pequeña pero estadísticamente significativa de presión negativa, que acelera la expansión del universo.

Presión de estancamientoeditar

La presión de estancamiento es la presión que ejerce un fluido cuando se ve obligado a dejar de moverse. En consecuencia, aunque un fluido que se mueve a mayor velocidad tendrá una presión estática más baja, puede tener una presión de estancamiento más alta cuando se lo fuerza a un punto muerto. La presión estática y la presión de estancamiento están relacionadas por:

p 0 = 1 2 ρ v 2 + p {\displaystyle p_{0}={\frac {1}{2}}\rho v^{2}+p}

donde

p 0 {\displaystyle p_{0}}

es el estancamiento de la presión, ρ {\displaystyle \rho }

es la densidad, v {\displaystyle v}

es la velocidad de flujo, p {\displaystyle p}

es la presión estática.

La presión de un fluido en movimiento se puede medir utilizando un tubo Pitot, o una de sus variaciones, como una sonda Kiel o una sonda Cobra, conectada a un manómetro. Dependiendo de dónde se encuentren los orificios de entrada en la sonda, puede medir presiones estáticas o presiones de estancamiento.

Presión de superficie y tensión de superficieditar

Hay un análogo bidimensional de presión: la fuerza lateral por unidad de longitud aplicada en una línea perpendicular a la fuerza.

La presión superficial se denota por π:

π = F l {\displaystyle \ pi = {\frac {F} {l}}}

y comparte muchas propiedades similares con presión tridimensional. Las propiedades de los productos químicos de superficie se pueden investigar midiendo isotermas de presión / área, como el análogo bidimensional de la ley de Boyle, nA = k , a temperatura constante.

La tensión superficial es otro ejemplo de presión superficial, pero con un signo inverso, porque ” tensión “es lo opuesto a”presión”.

Presión de un gas idealeditar

En un gas ideal, las moléculas no tienen volumen y no interactúan. De acuerdo con la ley de gas ideal, la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad, e inversamente con el volumen:

p = n R T V , {\displaystyle p={\frac {nRT}{V}},}

donde:

p es la presión absoluta del gas, n es la cantidad de sustancia, T es la temperatura absoluta, V es el volumen, R es la constante de gas ideal.

Los gases reales exhiben una dependencia más compleja de las variables de estado.

Presión de vaporeditar

La presión de vapor es la presión de un vapor en equilibrio termodinámico con sus fases condensadas en un sistema cerrado. Todos los líquidos y sólidos tienen una tendencia a evaporarse en forma gaseosa, y todos los gases tienen una tendencia a condensarse de nuevo a su forma líquida o sólida.

El punto de ebullición de la presión atmosférica de un líquido (también conocido como el punto de ebullición normal) es la temperatura a la que la presión de vapor es igual a la presión atmosférica ambiental. Con cualquier aumento incremental en esa temperatura, la presión de vapor se vuelve suficiente para superar la presión atmosférica y levantar el líquido para formar burbujas de vapor dentro de la mayor parte de la sustancia. La formación de burbujas más profundas en el líquido requiere una presión más alta y, por lo tanto, una temperatura más alta, porque la presión del fluido aumenta por encima de la presión atmosférica a medida que aumenta la profundidad.

La presión de vapor que un solo componente de una mezcla contribuye a la presión total en el sistema se denomina presión de vapor parcial.

Presión líquidaeditar

Cuando una persona nada bajo el agua, se siente la presión del agua que actúa sobre los tímpanos de la persona. Cuanto más profundo nade esa persona, mayor será la presión. La presión que se siente se debe al peso del agua sobre la persona. A medida que alguien nada más profundo, hay más agua por encima de la persona y, por lo tanto, mayor presión. La presión que ejerce un líquido depende de su profundidad.

La presión del líquido también depende de la densidad del líquido. Si alguien se sumergiera en un líquido más denso que el agua, la presión sería correspondientemente mayor. Por lo tanto, podemos decir que la profundidad, la densidad y la presión del líquido son directamente proporcionales. La presión debida a un líquido en columnas líquidas de densidad constante o a una profundidad dentro de una sustancia se representa mediante la siguiente fórmula:

p = ρ g h , {\displaystyle p = \rho gh,}

donde:

p es la presión del líquido, g es la gravedad en la superficie del material superpuesto, ρ es la densidad del líquido, h es la altura de la columna de líquido o la profundidad dentro de una sustancia.

Otra forma de decir la misma fórmula es la siguiente:

p = densidad de peso × profundidad . {\displaystyle p = {\text {densidad de peso}} \times {\text {profundidad}}.}

Derivación de esta ecuación

Esto se deriva de las definiciones de presión y densidad de peso. Considere un área en el fondo de un recipiente de líquido. El peso de la columna de líquido directamente sobre esta área produce presión. A partir de la definición de peso densidad = peso del volumen {\displaystyle {\text{peso densidad}}={\frac {\text{peso}}{\text{volumen}}}}

podemos expresar este peso del líquido como

peso = peso de la densidad x volumen , {\displaystyle {\text{peso}}={\text{peso densidad}}\times {\text{volumen}},}

cuando el volumen de la columna es simplemente el área multiplicada por la profundidad. Entonces tenemos

presión = fuerza área = área de pesas peso = densidad x volumen de la zona , {\displaystyle {\text{presión}}={\frac {\text{fuerza}}{\text{área}}}={\frac {\text{peso}}{\text{área}}}={\frac {{\text{peso densidad}}\times {\text{volumen}}}{\text{área}}},}

presión = peso de la densidad × (área × profundidad) de la zona . {\displaystyle {\text{presión}}={\frac {{\text{peso densidad}}\times {\text{(área}}\times {\text{profundidad)}}}{\text{área}}}.}

Con el” área “en el numerador y el” área ” en el denominador anulándose entre sí, nos quedamos con

presión = densidad de peso × profundidad . {\displaystyle {\text {presión}}={\text {densidad de peso}} \ times {\text{profundidad}}.}

Escrita con símbolos, esta es nuestra ecuación original:

p = ρ g h . {\displaystyle p=\rho gh.}

La presión que ejerce un líquido contra los lados y el fondo de un recipiente depende de la densidad y la profundidad del líquido. Si se descuida la presión atmosférica, la presión del líquido contra el fondo es dos veces mayor al doble de la profundidad;a tres veces la profundidad, la presión del líquido es tres veces mayor; etc. O, si el líquido es dos o tres veces más denso, la presión del líquido es correspondientemente dos o tres veces mayor para cualquier profundidad dada. Los líquidos son prácticamente incompresibles, es decir, su volumen apenas se puede cambiar por presión (el volumen de agua disminuye solo 50 millonésimas de su volumen original por cada aumento de presión atmosférica). Por lo tanto, a excepción de los pequeños cambios producidos por la temperatura, la densidad de un líquido en particular es prácticamente la misma en todas las profundidades.

La presión atmosférica que presiona la superficie de un líquido debe tenerse en cuenta al tratar de descubrir la presión total que actúa sobre un líquido. La presión total de un líquido, entonces, es pgh más la presión de la atmósfera. Cuando esta distinción es importante, se utiliza el término presión total. De lo contrario, las discusiones sobre la presión del líquido se refieren a la presión sin tener en cuenta la presión atmosférica normalmente presente.

La presión no depende de la cantidad de líquido presente. El volumen no es el factor importante, lo es la profundidad. La presión media del agua que actúa contra una presa depende de la profundidad media del agua y no del volumen de agua retenida. Por ejemplo, un lago ancho pero poco profundo con una profundidad de 3 m (10 pies) ejerce solo la mitad de la presión promedio que un estanque pequeño de 6 m (20 pies) de profundidad. (La fuerza total aplicada a la presa más larga será mayor, debido a la mayor superficie total de la presión sobre la que actuar. Pero para una sección dada de 5 pies (1,5 m) de ancho de cada presa, las aguas profundas de 10 pies (3,0 m) aplicarán una cuarta parte de la fuerza de las aguas profundas de 20 pies (6,1 m). Una persona sentirá la misma presión, ya sea que su cabeza esté sumergida un metro por debajo de la superficie del agua en una piscina pequeña o a la misma profundidad en medio de un lago grande. Si cuatro jarrones contienen diferentes cantidades de agua, pero todos se llenan a la misma profundidad, entonces un pez con la cabeza sumergida unos pocos centímetros bajo la superficie actuará sobre la presión del agua que es la misma en cualquiera de los jarrones. Si el pez nada unos centímetros más profundo, la presión sobre el pez aumentará con la profundidad y será la misma sin importar en qué jarrón se encuentre el pez. Si el pez nada hasta el fondo, la presión será mayor, pero no importa en qué jarrón esté. Todos los jarrones se llenan a la misma profundidad, por lo que la presión del agua es la misma en la parte inferior de cada jarrón, independientemente de su forma o volumen. Si la presión de agua en la parte inferior de un jarrón fuera mayor que la presión de agua en la parte inferior de un jarrón vecino, la presión mayor forzaría el agua hacia los lados y luego hacia arriba del jarrón más estrecho hasta un nivel más alto hasta que las presiones en la parte inferior se igualaran. La presión depende de la profundidad, no del volumen, por lo que hay una razón por la que el agua busca su propio nivel.

Reformulando esto como ecuación de energía, la energía por unidad de volumen en un líquido ideal e incompresible es constante en todo su recipiente. En la superficie, la energía potencial gravitacional es grande, pero la energía de presión líquida es baja. En el fondo del recipiente, toda la energía potencial gravitacional se convierte en energía de presión. La suma de energía de presión y energía potencial gravitacional por unidad de volumen es constante en todo el volumen del fluido y los dos componentes de energía cambian linealmente con la profundidad. Matemáticamente, se describe mediante la ecuación de Bernoulli, donde la cabeza de velocidad es cero y las comparaciones por unidad de volumen en el vaso son

p γ + z = c o n s t . {\displaystyle {\frac {p} {\gamma }}+z = \mathrm {const} .}

Los términos tienen el mismo significado que en la sección Presión del fluido.

Dirección de la presión líquidaeditar

Un hecho determinado experimentalmente sobre la presión líquida es que se ejerce por igual en todas las direcciones. Si alguien está sumergido en agua, sin importar en qué dirección incline la cabeza, la persona sentirá la misma cantidad de presión de agua en sus oídos. Debido a que un líquido puede fluir, esta presión no es solo hacia abajo. La presión se observa actuando de lado cuando el agua sale a chorros de lado de una fuga en el lado de una lata vertical. La presión también actúa hacia arriba, como se demuestra cuando alguien intenta empujar una pelota de playa debajo de la superficie del agua. El fondo de un barco es empujado hacia arriba por la presión del agua (flotabilidad).

Cuando un líquido presiona contra una superficie, hay una fuerza neta perpendicular a la superficie. Aunque la presión no tiene una dirección específica, la fuerza sí. Un bloque triangular sumergido tiene agua forzada contra cada punto desde muchas direcciones, pero los componentes de la fuerza que no son perpendiculares a la superficie se anulan entre sí, dejando solo un punto perpendicular neto. Esta es la razón por la que el agua que brota de un agujero en un cubo sale inicialmente del cubo en una dirección en ángulo recto con respecto a la superficie del cubo en el que se encuentra el agujero. Luego se curva hacia abajo debido a la gravedad. Si hay tres orificios en un cubo (superior, inferior y central), los vectores de fuerza perpendiculares a la superficie interna del recipiente aumentarán con el aumento de la profundidad, es decir, una mayor presión en la parte inferior hace que el orificio inferior lance agua hacia el extremo más alejado. La fuerza ejercida por un fluido sobre una superficie lisa es siempre perpendicular a la superficie. La velocidad del líquido que sale del agujero es de 2 g h {\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {2gh}}}

, donde h es la profundidad por debajo de la superficie libre. Esta es la misma velocidad que el agua (o cualquier otra cosa) tendría si cayera libremente a la misma distancia vertical h.

Presión cinemáticaeditar

P = p / ρ 0 {\displaystyle P = p / \rho _{0}}

es la presión cinemática, donde p {\displaystyle p}

es la presión y ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}}

densidad de masa constante. La unidad SI de P es m2 / s2. La presión cinemática se utiliza de la misma manera que la viscosidad cinemática ν {\displaystyle \nu }

para calcular la ecuación de Navier–Stokes sin mostrar explícitamente la densidad ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}}

. Ecuación de Navier-Stokes con magnitudes cinemáticas ∂ u ∂ t + (u)) u = – P P + ν 2 2 u . {\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial t}}+(u\nabla )u=-\nabla P+\nu \nabla ^{2}u.}