Depth
21 Dec, 2012
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PRESENTATION: The hydrostatic pressure is the part of the pressure due to the weight of a fluid at rest. It increases with the depth in the fluid as we can check if in a bottle we punch some holes at different heights. We will observe that the lower the hole the greater the extent of the water.
- A Multipurpose Device for Some Hydrostatics Questions, Salvatore Ganci, Phys. Teach. 46, 407 (2008)
- The hydrostatics of trapped bubbles in fluids, Chris Gaffney, Phys. Teach. 38, 458 (2000)
61 responses to "Depth"
La presión hisdrostática únicamente depende de la aceleración de la gravedad, de la densidad del fluído y la profundidad.
Para demostrar que no depende ni de la forma del recipiente ni de la cantidad de fluido, a continuación adjunto un vídeo en el que se demuestra como a la misma altura en dos botellas diferentes el agua sale con las misma velocidad.
Cabe mencionar que los sólidos no están influenciados por la presión hidrostática.
Si realizamos el experimento con una botella llena de agua y otra llena de arena, la primera al retirar el dedo sale un chorro impulsado por la presión que ejerce el agua sobre el agujero. Esa presión disminuye a medida que sale el agua de la botella.
En la materia granular los granos tienden a dirigir la fuerza debido al peso del material hacia las paredes del recipiente. Mayor cantidad de presión se dirige hacia las paredes del recipiente que hacia el fondo. De esta forma la arena que sale por el orificio no experimenta el peso de la arena que está por encima y puede salir con una velocidad constante que no varía al descender el nivel de la arena en el interior de la botella.
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Este experimento puede ilustrar bien la ecuación de Bernuilli, y si en lugar de abrir todos a la vez, se hace el experimento con cada orificio a diferentes alturas y se compara la distancia alcanzada por el agua. Se puede observar como la altura de la columna de agua va a determinar la distancia que alcanza el chorro, que depende de la velocidad. Es interesante porque también ayuda a explicar la presión atmosférica en el caso de una atmósfera de densidad constante.
Un ejemplo de la presión hidrostática en la vida cotidiana es dónde se situaban los tanques de agua antiguamente. A parte de que estos estaban colocados en las cubiertas de las casas (para que la gravedad hiciese su trabajo) las tuberías en estos tanques estaban puestas en la parte inferior de los mismos para que de esta manera el agua saliese con mayor fuerza debida a la presión hidrostática
Añadir como anécdota sobre la presión hidrostática una situación que ocurre en la profundidades océanicas con los submarinistas, que cuánto más se sumergen en el agua, cuanta más profundidad alcanzan, mayor es la presión que sienten sobre su cuerpo.
Si la presión del aire a nivel de mar se toma como unidad, es decir, la llamamos una atmósfera; cada 10 metros que el submarinista se sumerja, la presión hidrostática aumentará una atmósfera. Por ejemplo, si desciende a una profundidad de 30 metros estará sometido a una presión de 4 atmósferas.
A grandes profundidades los pulmones se comprimen y se reduce su volumen. Y si los pulmones han llegado a su mínimo y ya no se pueden comprimir más, la sangre sale de los vasos sanguíneos e inunda los pulmones formando un edema.
Pero más allá de los 2000 metros de profundidad,(con una presión de más de 200 atmósferas) y hasta los 6000 metros, nos encontramos con unos peces llamados abisales, por ser así llamada la franja de profundidad oceánica que ocupan.
Pero estos peces no mueren aplastados, obviamente están adaptados a su entorno debido a su poca superficie corporal y a que poseen cuerpos blandos y huesos (espinas) pequeños. Y no tienen oquedades que se puedan rellenas con ningún tipo de gas, como podría ser el caso de una vejiga natatoria.
En realidad sus tejidos están repletos de grandes cantidades de agua a la misma presión que la del entorno. Por eso, por esa igualdad de presión interior/exterior, no mueren aplastados.
Su morfología plana es debida a las grandes presiones que tienen que soportar.
Me parece un experimento muy sencillo y muy ilustrativo de cómo la presión hidrostática funciona. Lo que funciona es la presión hidrostática y no la cantidad de agua que contenga cada recipiente.
This is really a nice place….
I respect your work….
Comprender los efectos producidos por la presión hidrostática son fundamentales para comprender los procesos de entrenamiento de los buceadores de grandes profundidades.
El ser humano no debe bucear a profundidades superiores de los 60 o 65 metros, aunque el record mundial actual está en los 100 metros. La razón se debe a que en todo momento la presión hidrostática también comprime el aire respirado por el buceador (a más profundidad mayor comprensión del aire). A más de 70 metros de profundidad se produce el efecto de hiperoxia o efecto Paul Bert donde la compresión del oxígeno es tan elevada que éste se vuelve tóxico para las células del organismo, en el caso del nitrógeno también encontramos niveles de toxicidad altos, pero sus efectos dependen de las diferentes tolerancias del buceador. Esta tolerancia se puede desarrollar a base de entrenamiento en el que el buceador se sumerge periódicamente a distancias profundidades.
Los efectos de la narcosis de nitrógeno y la toxicidad del oxígeno dependen de las diferentes presiones. Por regla general, nuestro cuerpo expulsa el nitrógeno que respiramos, pero en el agua, debido a la presión, dicho nitrógeno no puede ser liberado y es absorbido por nuestro cuerpo. Si en el ascenso no se realizan las paradas de seguridad necesarias (a diferentes profundidades) para la eliminación del nitrógeno excedente, acumulado en la sangre y los tejidos, dicho elemento vuelve a su estado gaseoso buscando una forma de salir del cuerpo produciendo burbujas de nitrógeno que se pueden localizar en tejidos como la piel y/o ser transportadas por el torrente sanguíneo a otros órganos provocando una embolia o incluso la muerte. Dicha condición es conocida como enfermedad por descompresión.
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Este vídeo muestra cómo, efectivamente, la presión que ejerce el peso de un fluido en reposo va aumentando a medida que aumenta la profundidad. Además, observamos que al realizar orificios en diferentes alturas del recipiente el agua sale por cada uno de ellos a distinta velocidad; este efecto lo explica el Teorema de Torricelli, el cual es, a su vez, una aplicación del Teorema de Bernoulli.
El Teorema de Torricelli estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente a través de un pequeño orificio bajo la acción de la gravedad y afirma que la velocidad con la que salga será la misma que tendría un cuerpo cualquiera si éste experimentase una caída libre en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio. A partir del Teorema de Torricelli se puede calcular el caudal como el volumen de fluido que pasa por el orificio por unidad de tiempo. Evangelista Torricelli (1608-1647) dio nombre a este Teorema al ser el primero en medir la presión atmosférica.
Este vídeo explica as principais leis e principios físicos que rexen a presión hidrostática. O vídeo explica o concepto de peso especifico, presión, principio de Pascal, principio de Arquímedes e a Lei de Boyle.
La presión hidrostática, es la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido. Como esta presión se debe al peso del líquido, esta presión depende de la densidad (p), la gravedad (g) y la profundidad (h) del sitio donde medimos la presión. Aquí os dejo un vídeo, donde se puede ver un ejemplo de presión hidrostática.
La presión hidrostática es una de las barreras que dificultan el estudio de las profundidades marinas. Los animales que habitan estas zonas presentan adaptaciones para sobrevivir a las altas presiones.
Una forma de sentir el efecto de la presión hidrostática es sumergiendo un globo, cuanto mayor sea la profundidad a la que lo intentamos sumergir, mayor será la presión.
Este es otro experimento interesante.
Este principio de la presión hidrostática tiene aplicaciones industriales por ejemplo, en las industrias alimentaria y farmacéutica, donde el uso de altas presiones hidrostáticas comienza a ser una alternativa a las tecnologías de conservación basadas en choques térmicos. Este es el fundamento de la “pasteurización fría”. con la que se consiguen alimentos y productos farmacéuticos que mantienen mejor sus propiedades y nutrientes (muchos de ellos termolábiles) al desaparecer la necesidad de someter los mismos a elevadas temperaturas. Este enlace aporta información adicional sobre dicho proceso.
Para el diseño de presas es importante considerar la presión hidrostática que ejercerá la masa de agua sobre la pared. Como se ha explicado en comentarios anteriores, a mayor profundidad, mayor presión; por lo que muchas presas son construidas con un grosor mayor en su base que en la parte superficial. Ejemplo claro de esto son las conocidas como “presas de gravedad”, que presentan un perfil triangular, con la parte mas ancha en su base. Esto se debe a la distribución de la presión de agua. En la superficie del embalse el agua no está ejerciendo presión sobre la presa pero en el fondo está actuando la máxima presión. Por lo general, en presas de hormigón la base suele ser 0.7 veces su altura.
La presión hidrostática es un principio muy tenido en cuenta en cualquier circunstancia en la que se trabaje con grandes masas de agua; tal es el caso de los submarinistas o en la construcción de presas. No obstante, con pequeños volúmenes de líquidos también resulta de gran importancia. Este vídeo muestra cómo la presión hidrostática no varía a pesar del volumen de líquido, ya que el único factor es la “columna” que se sitúa sobre la balanza, en este caso.
Este tipo de experimentos son ideales para hacer con estudiantes de educación secundaria, ya que son muy sencillos e ilustrativos. Aquí os dejo un enlace a un vídeo muy interesante donde se explica de manera sencilla el concepto de presión hidrostática.
Interesante experiencia a la par que sencilla, para alumnos de Secundaria, en la que pueden visualizar el efecto de la profundidad en la Presión, tantas veces explica con el ejemplo del submarino, pero que en la realidad no se ve tanto. Con este ejemplo si que se ve.
El concepto de presión hidrostática es muy interesante y con muchas aplicaciones . El experimento del vídeo está muy bien. Nosotros lo hacemos con una botella con tres orificios. Pero me he dado cuenta de que lo podemos mejorar con un detalle tan pequeño como es el de colorear el agua utilizada. También se pude realizar para visualizar como funciona ” Tiro horizontal” cuando se estudia éste en Cinemática y realizar cálculos de alcance del agua , velocidad de salida por el orificio etc.
Paréceme moi didáctico e sinxelo, e ambas características unidas fano moi útil 🙂
Revisando enlaces e buscando vídeos relacionados para as clases de ámbito científico na ESO, destaco estas tres experiencias por orde decrecente de complexidade (todos asequibles aos estudantes de segundo ciclo da ESO): experimento da comprobación do principio de Arquímedes medindo o empuxe en dous fluídos diferentes, auga e queroseno, previo cálculo das súas densidades, didáctico e resumindo en táboas as medidas e cálculos do proceso; copa de Arquímedes: demostración sen e con explicación do fenómeno do empuxe da P atmosférica; columna de auga e explicacións das P atmosférica e P hidrostática, cos valores e unidades correspondentes.
Un comentario que suelen hacer los alumnos cuando tratamos el tema de hidrostática es la influencia de la presión sobre los buzos cuando descienden a determinadas profundidades. He encontrado mucha física en la página web de donosti buceo, este es el enlace.
Moi interesante. Supoño que é por isto polo que en bipedestación o sangue tende a extravasar dos vasos sanguíneos nas pernas creando edemas… porque (ademáis de influir outros factores como a diminución do retorno venoso e depender da acción das válvulas das veas) nas veas das pernas hai unha columna maior de fluido e a presión á que está sometido empuxa a auga do sangue cara o espacio intersticial dunha forma máis acusada do que se produce en zonas máis altas e próximas ao corazón na que a presión no fluído é menor.
A presión da columna de auga no océano ten influencia en as propiedades fisicoquímicas a auga. Unha de elas, moi interesante, é a relacionada con la temperatura. Baixo grandes presións podemos ter en estado líquido auga que a presión atmosférica estaría en estado sólido, coma por exemplo no Atlántico Norte.
Relacionado có anterior xurde o concepto de temperatura potencial, que é a temperatura que tería unha masa de auga que se move a la superficie de maneira adiabática (sen intercambiar calor có entorno).
La relación que existe entre la presión hidrostática y la profundidad es que son directamente proporcional es decir a estar a mayor profundidad la presión hidrostática será mayor. Pero esta no solo depende de la profundidad por ello se dice que la presión hidrostática en la luna es menor que en la tierra, pues la presión hidrostática depende también de la gravedad y como ya sabemos la gravedad en la luna es muchísimo menor que en la tierra.
Estos conocimientos son aplicados en la práctica, pues en base a ellos los buzos no deben llegar al fondo del mar dado que, como ya hemos dicho, la presión hidrostática es directamente proporcional a la profundidad (altura) y también a la densidad del fluido. Es decir cuanto más abajo en el mar este el buzo este presentara una presión mayor lo que le puede afectar a varios sistemas y organismo del cuerpo y hasta le puede ocasionar la muerte.
Desde mi punto de vista es muy interesante conocer las consecuencias de la presión ejercida por la columna de agua para los submarinistas. No sólo por un exceso de presión que el cuerpo no pueda soportar sin colapsar a gran profundidad, sino también el problema conocido como “barotraumatismo“. Este se produce cuando el cambio de presión es brusco, es decir, si desde cierta profundidad un buceador asciende rápidamente. El cambio de presión hará que aquellas partes de su cuerpo comprimidas por la presión elevada se expandan violentamente, pudiendo ocasionar severos daños pulmonares, en el tímpano, … e incluso la muerte. Por este motivo los submarinistas cuando ascienden deben hacerlo en zig-zag, como si subiesen tramos de escaleras.
Este experimento es fantástico para que el alumnado observe y entienda que es la presión hidrostática. Se trata de una actividad manipulativa sencilla que puede ser realizada por los estudiantes de cualquier nivel de la ESO. Además, puede realizarse con una simple botella de plástico. Por tanto, es un experimento que se puede montar con materiales caseros, lo que significa que el coste es bajo.
La presión hidrostática es la presión que ejerce la columna de agua, y su valor depende de la profundidad de dicha columna. Así, a mayor profundidad, mayor es la presión. Por esto el agua sale con mayor velocidad por el agujero que está más cerca de la base, ya que la profundidad es mayor, y por tanto la presión también. Esto es muy importante en la construcción de las presas de los embalses, ya que el muro inferior tiene que ser siempre más grueso que el superior. Además, también explica el motivo por el cual los muros de las presas siempre se rompen por la zona inferior.
Os dejo un link donde podéis observar este mismo experimento con una botella de plástico. Espero que sea de interés.
En esta experiencia se muestra el efecto de la presión hidrostática. El diseño de experimentos relacionados con la presión se pueden encontrar en el suplemento “Teaching Physical Concepts in Oceanography. An Inquiry-Based Approach”. Este suplemento de Oceanography Magazine se centra en ofrecer actividades manipulativas para enseñar conceptos físicos que son fundamentales en oceanografía. Está dirigido a estudiantes universitarios pero se puede adaptar para estudiantes de secundaria. Este es este enlace. Además en este vídeo de la BBC se ve cómo el efecto de la presión reduce el tamaño de una cabeza de poliestireno.
La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. Es la presión que experimenta un elemento por simple hecho de estar sumergido en un líquido.
Muchas personas, tienen la idea equivocada de que la presión en el interior de un líquido depende de la cantidad de líquido, siendo mayor la presión cuanto más líquido. Sin embargo, la velocidad de salida de agua no depende del volumen de agua, como podemos ver en el siguiente vídeo, sino que la presión en el interior de un líquido va a depender únicamente de su densidad y de la profundidad. Siendo la presión hidrostática:
P = d g h
donde, P: presión hidrostática; d: densidad del fluído; g: gravedad; h: profundidad medida desde el nivel del líquido.
Como consecuencia del principio de la hidrostática, las presas de los embalses soportan mayores presiones en la base, y por esa razón se construyen con muros más gruesos en la parte inferior.
La presión hidrostática es la presión debida al peso de un fluido en reposo. Aunque en el vídeo se haga con un líquido, ocurre lo mismo con los gases. De hecho, la presión atmosférica es la que ejerce la columna de aire que tenemos encima, por eso al aumentar la altitud disminuye la presión. Como consecuencia de este fenómeno, algunos montañistas sufren mal de altura, ya que al disminuir la presión, los alveolos pulmonares no son capaces de transportar la misma cantidad de oxígeno que en condiciones normales.
Esta se puede aplicar en varias asignaturas de todos los cursos de la ESO y en Bachillerato. Como en otras experiencias también que se encuentran en esta web educativa, esta experiencia permitiría también, la introducción de contenidos sobre la presión en, este caso en relación con la profundidad, lo que se conoce como presión hidrostática. Con esta experiencia los alumnos podrían comprender de una forma más práctica las relaciones que se dan entre la profundidad y la presión, lo que les permitiría comprender de una mejor forma lo que ocurre en grandes masas de agua. Todos estos contenidos además, permiten explicar cómo se da el abastecimiento de agua potable, el diseño de las presas o las aplicaciones de los sifones, entre otros.
Este experimento resulta ideal aplicarlo en la asignatura de física y química de 4º de la E.S.O., ya que en el currículum se incluyen en el Bloque 4 (el movimiento y las fuerzas) bloques sobre la presión, principios de la hidrostática y física de la atmósfera. Mediante su uso, los alumnos van a aumentar su eficiencia de aprendizaje al aumentar su capacidad de atención
Y no solo los incorporaría a las aulas de los centros escolares, si no que lo incluiría también en todos aquellos cursos de formación profesional que tienen que ver con el buceo. He experimentado cómo muchos de estos alumnos, independientemente de su edad o nivel educativo, no entienden que la presión depende únicamente de la densidad del líquido y de los metros de la columna de agua (profundidad).
Este experimento sirve para explicar cómo a 40 metros (5 atmósferas) tenemos una presión 5 veces superior a la que tenemos sobre el nivel del mar, lo que produce que el aire que consumimos debajo del agua sea 5 veces mayor, y por lo tanto el aire de la botella nos dure 5 veces menos (en vez de 2 horas, su duración se reduce a escasos 24 minutos).
Así mismo, si utilizásemos este experimento con sustancias de diferente densidad, podríamos explicar un concepto a mayores; la cantidad de aire que tenemos en este momento sobre nosotros posee un peso que aunque no notamos se traduce en una atmósfera de presión, por lo que si ascendemos por una montaña, a medida que aumentamos de altura existe una pérdida de presión (a 2500m de altura tenemos 0,73atm), que aunque parece poco importante, hace por ejemplo que, con el fin de evitar accidentes disbáricos, un buceador no puede subir a un avión hasta 24 horas después de haber buceado, no pueda cruzar por ejemplo el Teide si necesita viajar por carretera desde Santa Cruz de Tenerife a Costa Adeje, o si ha sufrido un accidente y necesita ser evacuado a un centro hospitalario en helicóptero, éste no podrá superar una altitud determinada (ni acceder a determinados hospitales). Es por este motivo, que las cámaras hiperbáricas pensadas para atender accidentes de buceo siempre se encuentran a nivel del mar
Creo que el vídeo por si solo podría mejorar si estuviese acompañado de alguna explicación a nivel oral o escrita.
Los materiales utilizados en este experimento son muy sencillos, económicos y fáciles de adquirir y además permiten realizar variaciones sobre el experimento y explicar otros principios afines del currículum.
Por ejemplo, si sobre el extremo superior de ese mismo recipiente agujerado y lleno de líquido se coloca una tapa observaremos que, a pesar de todavía haya una columna de líquido en su interior, éste no sale a través de los orificios. Esto se debe al efecto de la presión atmosférica ejercida externamente a los agujeros de la botella, impidiendo que el fluido salga. Tanto la presión atmosférica como la presión hidrostática son contenidos que en el actual plan de la LOMCE se sitúan juntos en el Bloque 4 de Física y Química de 4o ESO (Presión, Principios de la hidrostática y Física de la atmósfera), por lo que ambos experimentos se pueden realizar simultáneamente en el aula para explicar ambos principios.
Las diferencias de presión hidrostática en el océano, debida a cambios de densidad (por cambio de temperatura o salinidad) son las causantes de la generación de corrientes oceánicas. Cuando estas corrientes provocadas por distinta presión ocurren a grandes distancias y se establece un equilibrio entre la aceleración de presión y la “aceleración” de Coriolis, se produce una corriente geostrófica con una trayectoria circular, que son los grandes Giros Oceánicos, uno de los cuales es responsable de la existencia del Mar de los Sargazos. El fenómeno es análogo al de la circulación atmosférica en una borrasca o anticiclón. Este enlace explica estos conceptos.
La presión afecta a la solubilidad de los gases, siguiendo la Ley de Henry. Esta indica que a una temperatura dada, la solubilidad aumenta con la presión. Si la profundidad hace variar la presión, aquellos efectos que hagan variar la profundidad también la afectarán, como son las mareas. El efecto de las mareas puede ser muy significativo en bahías someras, por ejemplo, de menos de 10 metros de profundidad, afectando a la solubilidad de los gases en cada ciclo mareal. Inicialmente puede parecer insignificante, pero si hablamos de un gas que esté sobresaturado, la situación cambia. En el sedimento de muchas bahías someras, como las rías, existe gas metano disuelto (y saturado) en el agua de poros. Este sistema está en equilibrio, y hay una fase disuelta y una fase en forma de gas. Los cambios en la presión derivados de la marea, y por tanto, de la solubilidad, pueden provocar cambios en este equilibrio. Por ejemplo, una bajamar puede hacer que de forma rápida una gran parte del gas metano pase a fase gas y este, que flota, escape de los sedimentos y llegue a la atmósfera. El gas metano es uno de los gases de efecto invernadero más importantes y existe en grandes cantidades en todos los mares poco profundos.
Algunos trabajos que tratan este tema son, por ejemplo:
– Boles, J.R., Clark, J.F., Leifer, I., Washnurn, L. (2001). Temporal variation in natural methane seep rate due to tides, Coal Oil Point area, California. Journal of Geohpysical Research: Oceans, 206, C11.
– Diez, R., García-Gil, S., Durán, R., Vilas, F. (2007). Gas-charged sediments in the Ría de Arousa: Short- to long-term fluctuations? Estuarine, Coastal and Shelf Science, 71 (3-4), 467-479.
– García-Gil, S., Cartelle, V., de Blas, E., de Carlos, A., Díez, R., Durán, R., Ferrín, A., García-Moreiras, I., García-García, A., Iglesias, J., Martínez-Carreño, N., Muñoz Sobrino, C. y Ramírez-Pérez, A., 2015. Gas somero en el margen continental Ibérico. Boletín Geológico y Minero, 126 (2-3): 575-608. ISSN: 0366-0176.
Unha experiencia realizada no século XVII por Pascal foi a de rebentar un barril cheo de auga. Para iso fixo un orificio pequeno no barril no que colocou un tubo moi alto e delgado e sellou herméticamente a unión. Logo foi enchendo o tubo pouco a pouco con 1 litro de auga ata que o barril rebentou. Isto explícase porque a presión hidrostática aumenta coa altura, de xeito que cunha columna de auga moi fina pero moi alta, conseguiu exercer unha presión capaz de romper o barril. Esta experiencia ilústrase na web de Profisica dispoñible no seguinte enlace. Con esta experiencia demóstranos que calquera recipiente pode romperse se lle aplicamos unha columna de líquido suficientemente alta para que a presión interna supere a resistencia do material do que estea feito.
Se trata de un experimento muy sencillo y económico para explicar el efecto de la presión hidrostática. Este concepto es muy importante para aquellas personas que se dedican al buceo, ya que durante las fases de ascenso y descenso el cuerpo humano se ve sometido a cambios importantes de presión que pueden afectarle tanto a sus oídos como a sus fosas paranasales, pero también a los pulmones, estómago e intestinos, produciendo una compresión de los mismos. De ahí, que los buceadores deban aprender a compensar estos cambios de presión tanto en la fase de ascenso como en la fase de descenso. En relación al comentario de VíctorC, me gustaría añadir, que este efecto de los cambios en la altura de marea sobre la solubilidad del gas presente en los sedimentos marinos es visible en las zonas más someras de la ría de Vigo. Por ejemplo, en la desembocadura del río Alvedosa, en la ensenada de San Simón, pueden verse burbujas de gas que escapan del sedimento durante los periodos de bajamar.
En España hay más de 350 embalses con una capacidad de almacenamiento de 54.000 hectómetros cúbicos de agua, lo que supone el 50% del caudal de los ríos del territorio.
El más grande de todos ellos es el de La Serena, en la provincia de Badajoz, que es, a su vez, el tercer embalse más grande de Europa. Pero….¿Por qué el muro de los embalses es más ancho en la base? ? Pues precisamente debido a la presión hidrostática. Tal como ya se ha comentado, la presión hidrostática es mayor cuanta mayor sea la profundidad, por tanto se necesita una mayor resistencia para que no rompa la presa.
Maravillosamente ilustrado. Después de la realización de este experimento a ningún aluno le quedará duda de por qué los submarinistas sienten más presión cuánto más se sumergen. La utilización de un líquido coloreado permite apreciar perfectamente como cambian los chorros en función de cuánto líquido tengan encima y, por lo tanto, de la presión. Su sencillez es proporcional a su genialidad.
El cambio de presión con la profundidad es una realidad a la que se enfrentan diariamente miles de especies marinas. Las estructuras que más interesantes me parecen a la hora de lidiar con estos fenómenos son los denominados flotadores de pared blanda.
El mecanismo de variación del volumen del flotador se puede entender fácilmente con un ejemplo, ya que si tenemos un organismo que a una determinada profundidad tiene el suficiente gas en su flotador para adquirir una flotabilidad neutral, el animal no se va a mover. Cuando el animal se mueve hacia abajo, la presión hidrostática aumenta y el gas va a comprimirse en el interior del flotador. Por el contrario, cuando el animal se mueve hacia arriba, el gas va a expandirse, aumentando la flotabilidad positiva y haciendo que el gas se expanda aún más a medida que el animal sube hacia la superficie. Este es el principal problema que presentan estas estructuras, pues un incremento excesivo de volumen puede llegar a generar la rotura del flotador.
Para evitar que esto ocurra, los flotadores van a variar sus contenidos en gas mediante diferentes procesos. De esta manera, van a liberar gas a medida que ascienden y van a secretar una cantidad similar de gas cuando descienden. El hecho de tener que llevar a cabo estas variaciones va a suponer un gasto energético extra. Esto se soluciona si el nivel de flotabilidad neutral del animal se encuentra en la región de la columna de agua que habita, evitando tener que hacer grandes variaciones en el volumen de gas del flotador.
Dejo enlazado un libro que trata el tema: Schmidt-Nielsen, K., 1997.
Visto que la presión aumenta conforme aumenta la profundidad, ¿cómo es posible haber encontrado peces a 8140 metros de profundidad?. Han tenido que ir sufriendo una serie de adaptaciones con el fin de acomodarse a esos cambios respecto a la superficie y todo lo que ello conlleva (menos luz, oxígeno…). Thiel, de la Universidad de Hamburgo, demostró en 1975 que a mayor profundidad menor era el tamaño de los organismos. En concreto, halló una disminución más rápida de la megafauna y la macrofauna que de la meiofauna o de las bacterias. En realidad, al aumentar la profundidad, la meiofauna y las bacterias se hacían cada vez más dominantes. En este enlace se puede encontrar más información sobre estas adaptaciones.
En relación a lo explicado por Lucía en diciembre del 2014 sobre la enfermedad por descompresión, a continuación, explicaré algunos de los mecanismos que utilizan los mamíferos durante buceos profundos para evitar la formación de burbujas de N2 en sus tejidos.
Durante los buceos profundos, el riesgo de enfermedad por descompresión se reduce en mamíferos marinos por las características estructurales de sus pulmones y del tórax (Hill et al., 2006). El incremento de presión hidrostática produce la compresión del pulmón. En aquellos animales que reducen el volumen pulmonar antes de la inmersión, el aire es forzado a salir de los alvéolos conforme se colapsan los pulmones, y pasa a estar contenido en la tráquea y los bronquios que son más rígidos pero menos permeables a los gases. Si los gases permaneciesen en los alvéolos, difundirían hacia el interior de la sangre al aumentar la presión (Randall et al., 1998).
La profundidad a la que los alvéolos y sacos alveolares se colapsan por completo es aquella en la que la presión hidrostática es lo suficientemente grande como para reducir el volumen inicial de aire al volumen de las vías aéreas de conducción. Una razón por la cual las focas que bucean profundamente espiran antes de sumergirse puede ser para facilitar el colapso alveolar, al reducir el volumen inicial de los pulmones en relación con el volumen de las vías aéreas de conducción (Hill et al., 2006).
Estos experimentos están muy bien en biología para explicar conceptos importantes en distintos sistemas como por ejemplo en el sistema circulatorio.
La presión que ejerce un líquido, a cierta profundidad, es igual en todas las direcciones. Salvo excepciones, los animales acuáticos están inmersos en una columna de agua de la misma densidad que sus fluidos internos, y no experimentan un efecto gravitacional significativo. Por ello su presión no varía con la postura. Por el contrario, en los animales terrestres los cambios de postura pueden tener efectos importantes sobre las presiones en sus sistemas circulatorios. Por ejemplo, en una persona acostada no hay diferencias de presión significativas entre pies, corazón y cabeza. En cambio, cuando la persona se pone en pie, la presión hidrostática del sistema cardiovascular en los vasos de los pies es de casi el doble y en la cabeza de casi 0,7 veces la presión arterial que hay en el nivel del corazón.
No relativo o campo da agricultura, cando se regan campos de cultivo, moitas veces empregase o sistema de rego por goteo. Cando se emprega este sistema en pendentes habería máis presión no goteiro de máis abaixo que no da cima. Isto faría que unhas zonas se regarían máis que outras, para evitar isto, empreganse os goteiros autocompensantes.
Me ha parecído una manera muy útil y con un experimento simple de entender la presión hidrostática. Como practico apnea, anteriormente, yo había probado un experimento con un globo lleno de aire. Al sumergir el globo a más profundidad este se hace más pequeño y al subirlo a superficie este recupera su tamaño original, ya que los gases son compresibles y de este modo se vé como afecta la presion hidrostatica sobre el globo. Lo mismo ocurre con nuestros pulmones al sumergirnos, ya que estos contienen aire, a 10 mts de profundidad nuestros pulmones tienen la mitad del tamaño que tienen en superficie.
La presión hidrostática (y en general la presión atmosférica) son unas grandes desconocidas para las personas de a pie. Sin embargo, la presión tiene un efecto bastante relevante sobre nuestros cuerpos. Toda esa columna de aire que soportamos no es pequeña, lo mismo ocurre en el agua. Todos los peces deben soportar presiones muy grandes, por lo que anatómicamente deben poseer estructuras capaces de soportar toda esa presión (P = Patm + d*g*h). Cabe destacar que en el agua, cualquier cuerpo soporta la presión atmosférica más otra presión directamente relacionada con el fluido que se sitúa por encima del mismo. A 10 metros de profundidad, la presión es el doble que la atmosférica, por eso resulta increíble que existan peces que puedan desarrollar su vida a profundidades de km por debajo del nivel del mar. También, es por este motivo que las expediciones al fondo marino son tan pocas a lo largo de la historia de la humanidad (el gran culpable e impedimento que no permite realizar estos estudios no es otro que la presión inmensa que tendrían que soportar los equipos necesarios para tomar muestras y que encarecería los equipos de una manera considerable). Por esto, considero que el fondo marino, y las especies ocultas en esa zona no se descubrirán en un largo período de tiempo, o quizás nunca (en todo caso el avance tecnológico tendrá la última palabra).
El experimento mostrado se trata de una demostración muy sencilla y visual para mostrar la variación de la presión hidrostática con la profundidad. Es importante conocer esta clase de conceptos ya que son comunes en nuestra vida cotidiana. Como se comenta anteriormente, uno de los casos más claros en el que la presión hidrostática juega un papel importante es en el caso de los submarinistas. Al bajar a profundidades considerables, la presión hidrostática provoca la compresión de los pulmones, pudiendo llegar a generar problemas importantes si no se tiene en cuenta este hecho y la importancia de la profundidad. Los seres vivos que viven a grandes profundidades presentan adaptaciones que les permiten habitar a tan altas presiones como son la reducción de cavidades internas reducidas o la adquisición de una forma plana. Además, cabe destacar la aplicación de este tipo de presiones para la industria alimenticia, destinada a la conservación de los alimentos con muy buenos resultados, lo que hace este concepto muy interesante y de gran utilidad práctica.
En punto más bajo la velocidad será mayor, sin embargo, en el punto medio el alcance del agua será máximo. Aplicando la ley de Bernoulli se llega a la conocida ecuación de Torricelli donde la velocidad en el orificio, v, será aproximadamente v=√2gh , siendo h la altura del líquido hasta el orificio. En este enlace se explica este principio de forma detallada.
La presión hidrostática es la causa por la cual en los hogares, donde el agua llega, a través de conducciones de agua, de pozos de captación muchos más elevados que los puntos de consumo, se instala un manómetro con un regulador de presión. Con ello se reduce la presión del agua al entrada de las tuberías de la vivienda antes de que llegue a los electrodomésticos, grifería, etc. Por ejemplo, en mi casa, que el agua viene de una montaña próxima, tenemos un reductor de presión que reduce la presión hidrostática de 7 bares (presión a la que llega a la vivienda) a 3 bares. Si no se hace eso es fácil tener averías, por exceso de presión, en lavavajillas, lavadoras….además de que el agua sale del grifo “disparada”.
Un buen ejemplo de la presión hidrostática lo podemos ver en las presas que contienen el agua para el bastecimiento de la población o la generación de energía. Cuando abren los aliviaderos para eliminar el lodo o reducir el agua embalsada, la presión con la que sale dependerá de la altura del agua en el embalse. Lo podemos ver en el siguiente vídeo.
Por completar un poco más el principio fundamental de la hidrostática añadimos lo siguiente.
Este principio establece que la presión en un punto del interior de un fluido (presión hidrostática) es directamente proporcional a su densidad, a la profundidad que se encuentre dicho punto y a la gravedad del sitio en el que se encuentre el fluido.
P=d*g*h
donde:
P es la presión en un punto del fluido.
d es la densidad del fluido
g es la gravedad del lugar donde se encuentre el fluido.
h es la profundidad.
Si nos preguntamos que presión estaría soportando un buceador que desciende a 10 metros de profundidad en el mar, teniendo en cuenta que la densidad del agua del mar es 1025 kg/m3 tendríamos:
Datos:
h = 10 m
dmar = 1025 kg/m3
g = 9.8 m/s2
Resolución:
P=1025 kg/m3*10*9.8 m/s2 –> P=100450 Pa
Entiendo que ¿es el mismo principio con el que juegan algunas fuentes ornamentales (tipo de la Alambra)?
Como hemos podido observar en el vídeo, un problema de este tipo de dispositivos es que el caudal de salida depende de la altura a la que se encuentre el líquido del interior, disminuyendo con ella. Existe otro artefacto, denominado frasco de Mariotte, que solventa este problema. Consiste en un frasco cerrado por un tapón al que atraviesa un fino tubo abierto por ambos extremos, de modo que la parte inferior de éste dista una altura h del orificio de salida del líquido, que se encuentra en un nivel inferior. Aplicando el principio de Bernouilli a este tuvo, y situando un punto 1 en la boca inferior del tubo y el 2 en el orificio de salida, podemos obtener que h la podemos mantener constante puesto que no se corresponde con la diferencia de alturas entre el líquido en el interior del frasco y el orificio de salida (que va disminuyendo con el tiempo), sino con la diferencia de altura entre la parte inferior del tubo que atraviesa el tapón y el orificio de salida, que se mantiene constante; y con ello, la velocidad. En caso de que el nivel del líquido descienda por debajo de la parte inferior del tubo, éste se baja un poco y el líquido continúa saliendo. Del mismo modo, se puede regular la velocidad de salida subiendo y bajando el tubo.
Viendo esta publicación me ha venido a la mente la implosión del Titán, aquí podéis encontrar algunos detalles. Esto nos recuerda que todos estamos expuestos a las leyes de la física. Mucho cuidado ahí fuera!
Ejemplo muy visual para realizar con los alumnos que además requiere de un material muy simple y hace captar a la perfección el concepto de la presión hidrostática. Esto fomenta un aprendizaje significativo en ellos al hacerles ver cómo la teoría ocurre de forma habitual en la naturaleza y en su día a día. Por tanto, perfecto para una demostración en clase del contenido teórico.
La destrucción del submarino Titán cerca del pecio del Titanic destaca la sorprendente capacidad de la presión hidrostática, generada por la columna de agua de muchos kilómetros, para colapsar incluso estructuras sólidas diseñadas para soportar altas presiones. A 400 atmósferas de presión, equivalente a 4000 toneladas por metro cuadrado, el submarino implosionó. Sin embargo, la presión no es la causa del colapso, sino la diferencia de presión entre el interior y el exterior. En contraste, los peces y cetáceos, con composiciones celulares y adaptaciones específicas, no sufren colapsos gracias a su capacidad para igualar la presión del entorno sin perder volumen. Las vejigas natatorias en peces y pulmones contráctiles y ajustes en la densidad de grasa en cetáceos son ejemplos notables de adaptaciones a la presión hidrostática extrema. Por ejemplo, el cachalote tiene una asombrosa adaptación en su cabeza, con una acumulación masiva de grasa que cambia de estado según la irrigación sanguínea. Al descender, cierra los vasos sanguíneos, disminuye la temperatura y la grasa se solidifica, sirviendo como lastre, y al ascender, se licúa, actuando como boya. Esto le permite al cachalote moverse verticalmente con mínimos esfuerzos y superar los cambios de presión asociados al cambio de profundidad.
Un claro ejemplo de presión hidrostática lo podemos encontrar en el océano. Los submarinistas son sometidos a grandes presiones hidrostáticas cuanto más profundos se encuentran. En el siguiente vídeo se ven claramente los cambios de presiones de una botella de plástico según la profundidad a la que se encuentre
Experimento muy interesante para llevar al aula en el cuál se aprende una forma muy visual que es la presión hidrostática. Una de sus aplicaciones más relevantes para la vida cotidiana es la utilización de los sistemas APH (alta presión hidrostática) basados en bombas de alta presión se aplican en muchos productos cárnicos, como pavo o pollo cocido loncheado, carnes marinadas, jamón curado, piezas de pollo, entre otros. La razón es su capacidad de prolongar la vida útil y mantener la frescura original, además, debido a que ocurre en temperaturas ambientales o de refrigeración, conservan la calidad sin alterar el sabor y los nutrientes. También prescinde de conservantes, ya que elimina la flora vegetativa alterante y patógena.
Se trata de un vídeo en el que se puede observar de forma sencilla como la presión hidrostática depende de la profundidad. Indagando más acerca de recursos para trabajar con el alumnado de secundaria estos conceptos encontré esta página en la que aparte de explicar perfectamente cuales son los factores que influyen en la la presión hidrostática y por qué, añade links de utilidad, así como un simulador en el que los alumnos/as podrán experimentar como afecta la profundidad en la presión hidrostática, no solo en agua sino también en otros fluidos como gasolina, aceite y miel.
La presión hidrostática depende de la profundidad en el fluido y se incrementa a medida que se desciende, ya que hay más peso de agua sobre una mayor área.
Llevando este tema al terreno de la sanidad: La cámara hiperbárica es un entorno terapéutico que se utiliza para tratar diversas patologías mediante la administración de oxígeno a presiones superiores a la atmosférica. Para entender cómo se relaciona este concepto con el tratamiento en la cámara hiperbárica, es útil pensar en la analogía de la presión hidrostática y cómo el aumento de presión en un fluido puede influir en los procesos fisiológicos.
De forma similar a cómo la presión hidrostática aumenta con la profundidad en un fluido, en la cámara hiperbárica, la presión aumentada se utiliza para forzar al cuerpo a absorber más oxígeno de lo que sería posible a nivel atmosférico normal. En una cámara hiperbárica, el paciente respira oxígeno puro a una presión mucho mayor que la presión atmosférica normal.La principal razón para usar la cámara hiperbárica es que el aumento de presión aumenta la solubilidad del oxígeno en los líquidos corporales, como la sangre. Bajo condiciones normales, el oxígeno se transporta a través de los glóbulos rojos, pero a presiones más altas, el oxígeno también se disuelve directamente en el plasma sanguíneo. Esto significa que los tejidos pueden recibir oxígeno adicional incluso si la circulación está comprometida, lo que puede ser útil en el tratamiento de diversas patologías, como lesiones por descompresión, por ejemplo, en buceadores.
Comparto el enlace a un artículo sobre la cámara hiperbárica y lesiones por buceo.