Presión
26 dic, 2011
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PDFEn fluidos
PRESENTACIÓN: Cuando un objeto se encuentra en contacto con dos fluidos diferentes la presión en sus superficies es distinta y por lo tanto varía la fuerza a la que están sometidas, pudiendo crearse situaciones de equilibrio fácilmente explicables.
- Pressure measurements: A diagrammatic comparison, Gavin D. Peckham and Lee Sutherland, Phys. Teach. 37, 100 (1999)
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Un dos principios que se poden estudar con estas premisas de partida é o principio de Arquímedes. Por exemplo no seguinte vídeo resólvese un problema onde un obxecto encóntrase en equilibrio estando en contacto con dous fluídos diferentes (auga e mercurio).
O proceso está en equilibrio xa que as dúas forzas (diferentes entre si) de empuxe que os fluídos exercen sobre o obxecto iguálanse ao peso deste.
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No principio de Arquímedes estúdanse as diferentes presións que actúan sobre un corpo que se encontra sumerxido nun líquido, resumindo que as presións laterais se anulan porque son iguais, resultando unha forza de empuxe vertical cara arriba do fluído sobre o corpo e unha segunda forza que exerce o peso do mesmo cara abaixo. Dependendo destas dúas forzas, o corpo flotará ou se sumerxirá no fluído ata acadar o equilibrio entre ambas.
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Esta temática ayuda a comprobar si un cuerpo se sumergirá o se hundirá en ciertos líquidos, pero para ello debemos conocer el nivel educativo de nuestros alumnos, ya que deben considerarse una serie de conceptos previos como el principio de Arquímedes o el presión de fluidos. Dos líquidos comunes que ejercen diferentes presiones son el agua y el aceite con los cuales podríamos realizar cálculos y demostraciones de este principio.
Retomando el comentario de Lucía: si introducimos un objeto con una densidad intermedia entre el aceite y el agua el objeto empezaría a hundirse en el aceite y se quedaría parado en la interfase entre el agua y el aceite. Utilizando las ecuaciones descritas anteriormente, se puede calcular qué parte del objeto queda en contacto con el agua y qué parte del objeto en contacto con el aceite (Por poner un ejemplo, si metes un cilindro de 5 cm. de largo, puedes predecir que 1’5 cm. quedan en el aceite y los otros 3’5 cm. quedan en el agua). Creo que a los alumnos les sorprendería ver cómo utilizando las ecuaciones puedes predecir lo que va a pasar.
Para comprender mejor este fenómeno, es importante conocer previamente el principio de Arquímedes así como el principio de Pascal.
Para el principio de Arquímedes sugiero ver el siguiente vídeo, que muestra un sencillo y ameno experimento. Esta experiencia titulada «Fantasma atrapado en la botella» es ideal para hacerla también los niños en Halloween. Por otra parte, este vídeo, muestra un experimento que se basa en el principio de Pascal. Para realizarlo, sólo necesitamos una jeringa grande, globos pequeños, agua y unas tuercas.
Ao fío do enlace que Yolanda comenta sobre o «pantasma na botella» (moi visual por certo), atopei este vídeo onde unha alumna REALIZA e EXPLICA de xeito moi claro e sinxelo a fabricación e o funcionamento dun submariño caseiro (o mesmo fundamento que a «pantasma» na botella de auga). Relaciona moi ben nos seus comentarios a inmersión/emersión dos submariños dependendo da entrada/saída de auga nos tanques do submariño, pero sen que o submariño deixe «escapar» aire senón comprimíndoo máis ou menos para que a auga poida entrar ou saír (conectaríamos aquí co principio de Pascal ao que Yolanda tamén fai referencia e enlaza un vídeo).
Sería moi interesante completar dita explicación teórica con algo sinxelo para facer na aula con varios obxectos e distintos fluidos, comprobando a diferente flotabilidad nos diferentes fluidos.
En un recipiente que contiene un fluido, el peso del líquido ejerce una presión sobre su fondo que a su vez crea una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente desde el interior del fluido hacia afuera. Por esta razón, cualquier fluido en equilibrio (que no se encuentre en movimiento) ejerce una fuerza sobre cualquier superficie que se encuentre en contacto con él. Dicha fuerza es perpendicular a la superficie de contacto entre ambos. Una explicación más visual para los alumnos/as se podría hacer con diferentes objetos y variando la densidad del agua para comprobar su flotabilidad. En el siguiente vídeo podemos ver ejemplos de presión en fluidos.
A presión sanguínea é un factor fundamental para a vida humana. Un exceso da presión sanguínea, provoca unha das peores enfermidades cardiovasculares para as persoas: a hipertensión arterial.
También un tipo de presión relacionada con el comportamiento de fluidos, la presión osmótica se define como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo de disolventes a través de una membrana semipermeable que conecta dos diluciones a diferente concentración. A pesar de que la ósmosis se incluye en el temario de ESO y Bachiller, no siempre se clarifica que es un fenómeno de presión y el alcance que tiene. Como seres vivos, todo nuestro cuerpo es el vivo ejemplo de membranas semipermeables y equilibrio osmótico, y de cómo la ruptura de éste puede tener unas consecuencias fatales.
La presión en un fluido es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación de movimiento del fluido, en algunos casos esta presión coincide con la presión media o con la presión hidrostática.
En este video se nos plantea el problema de la flotación entre dos líquidos no miscibles, aplicando Arquimedes podemos resolver esta situación. En este enlace encontrareis el ejemplo resuelto para agua y aceite. creo que es una sencilla aplicación matemática que nos puede ayudar.
La presión aumenta con la profundidad a la que te encuentres en un fluido, y eso es fácilmente demostrabale. Mucha gente habla de lo que sucede cuando una persona intenta bucear muy profundo en el mar, sin embargo, a mí me parece más interesante ver lo que sucede en, por ejemplo, cetáceos, que son capaces de sumergirse enormes profundidades en el océano. En primer lugar debemos pensar que los cetáceos usan los pulmones como un flotados de pared blanda (por eso lo menciono comparándolo con lo que le sucede a los humanos).
Un flotador que no sea capaz de regular su volumen, como lo son los pulmones, depende enteramente de la presión hidrostática según la siguiente ecuación:
Vd = Vs / (1 + 0,1 h)
Donde “Vd” es el volumen del aire a una profundidad dada, “h” es la profundidad y “Vs” es el volumen del aire en la superficie. El factor 0.1h implica que cada 10 m de profundidad aumenta la presión en una atmósfera. La presión dentro del flotador es 1 atmósfera, al volumen inicial, pero si aumentamos la presión exterior al descender en la columna de agua también debe hacerlo la presión del gas dentro del flotador, para o que hay dos opciones: o se deja encoger en volumen hasta alcanzar la presión externa; o introducir 0.1h litros de gas.
En mamíferos los pulmones representan un importante espacio de aire comprimible, y este cambio de volumen causado por la profundidad genera un cambio de flotabilidad involuntario. Además están mejor adaptados al colapso pulmonar que sus parientes terrestres, debido a las altas presiones que experimentan.
No nos olvidemos de mencionar tampoco que si subimos hacia la superficie desde una profundidad de 30 m, nuestros pulmones van a aumentar su volumen un 200 %, por eso los buceadores deben expulsar aire muy agresivamente cuando hacen cambios de profundidad muy acuciados.
Más información en el enlace de: Skrovan, R. C, et al. 1999.
El vídeo me parece interesante para alumnos ya de un cierto nivel con conocimientos previos claros. Pero no me parece aplicable para niños de ESO y bachillerato porque es un poco pesado, con muchas ecuaciones, un poco denso y poco atractivo y visual. Se muestra una explicación muy teórica y creo que para que se produzca un aprendizaje significativo es importante buscar casos prácticos en los que les mostremos a los alumnos las aplicaciones tangibles. El siguiente vídeo nos ofrece una explicación muy ilustrativa y además podríamos pedirle a los alumnos que llevasen a cabo la experiencia y se grabasen en vídeo.
Concuerdo con RocíoS. El vídeo se corresponde a una clase magistral tradicional y, además, carece de ejemplos prácticos. Muy probablemente el alumnado «desconecte» antes de llegar al final del mismo.
Relacionado coa presión e coa experiencia dos buceadores que comentou Julio César, gustaríame compartir un podcast que conta a curiosa historia dun home que quedou atrapado tres días a 30 m de profundidade tras afundir o barco no que iba. Relátase moi ben os efectos no corpo e o proceso necesario para devolvelo á superficie.
Esta explicación se podría complementar con un experimento que hiciera más visible la explicación.
En este video, se realiza un sencillo experimento en el que se mezclan el aceite y el alcohol. El aceite es más denso que el alcohol, por lo que se almacena en la parte inferior. Si se añade agua al alcohol, la mezcla resultante se hace más densa hasta el punto en el que se igualan las densidades, quedando gotas de aceite flotando en el vaso.
De esta manera se puede observar como varia el comportamiento del aceite en función de la densidad del otro liquido.
Esta explicación es fundamental para aquellas personas que se inician en el mundo del buceo, para entender el por qué al descender 10 metros en la columna de agua se incrementa 1 atm la presión, que se le suma a 1 atm de presión que ejerce la atmósfera a nivel del mar. ¿Pero por qué en tan importante? Cuando superamos los 60 metros, o 6 atm, la presión del agua comprime el aire que respira el buzo. Cuanto más se desciende en la columna de agua, más se comprime por lo tanto el oxígeno almacenado en las botellas. A más de 60-70 metros de profundidad la compresión del oxígeno es tan elevada que este se vuelve tóxico para las células del organismo (es la hiperoxia o efecto de Paul Bert).
Se trata de una buena explicación teórica, con una deducción simple para llegar a la fórmula de la presión hidrostática, pero con poco contenido práctico o visual que pueda resultar atractivo. Se me ocurre adjuntar el siguiente vídeo, que de una forma muy llamativa, representa el peso que todos los días soportamos desde que nos levantamos, incluyendo ejemplos realmente sorprendentes, y haciendo referencia a lo importante que es el aire que nos rodea: ¿Cuánto pesa el aire??
Concuerdo con los participantes anteriores en que este vídeo no sería el mejor recurso para un aula ya que no resulta motivador ni llamativo. El concepto a explicar es denso por lo que igual en el aula es conveniente añadir algún ejemplo práctico como comentaron con anterioridad (el fantasma, el submarino…) También me parece importante destacar el carácter interdisciplinar de este contenido que se puede explicar en la materia de física como de tecnología y en biología relacionándolo con los conceptos de osmosis y el comportamiento del fluido sanguíneo bajo efectos de presión.
Si un sólido está sumergido en aceite (fluido 1) y en agua (fluido 2), se puede determinar la densidad de dicho sólido con el principio de Arquímedes, que nos dice que si el bloque está en equilibrio, el peso del bloque debe ser igual al empuje proporcionado por ambos líquidos, mediante la siguiente fórmula:
Peso del bloque =empuje del agua + empuje del aceite
En realidad, un cuerpo que flota en la superficie del agua, está sumergido en dos fluidos, uno es el agua (con densidad ρ2=1000 kg/m3) y el otro es el aire (cuya densidad, a veces, es ρ1=1.29 kg/m3). Habitualmente, se desprecia la densidad del aire frente a la del sólido ρ y la del fluido ρ2, aplicándose la fórmula aproximada sin tener en cuenta la densidad del aire.
El concepto de columna de agua es muy importante para transmitir, no solo al alumnado sino a la población en general. Nuestra percepción del peso experimentado por una columna de agua no siempre es correcto. Todos los veranos estamos acostumbrados a ver noticias de como piscinas provisionales en terrazas provocaron colapsos de la estructura de los edificios provocando severos daños materiales y personales.
Si acudimos al Código Técnico de la Edificación (CTE) se establece que el forjado de una vivienda tiene que estar diseñado para soportar una resistencia de carga de uso de 200 Kg/m². Por lo tanto podemos deducir que es importante poner el foco en el peso por metro cuadrado y no tanto del volumen total de la piscina. Podemos tener muchos litros pero repartidos por una gran superficie y por lo tanto no superaremos la resistencia de carga del forjado. Pero aunque tengamos una piscina de una superficie más pequeña y con menos litros que una gran piscina la columna de agua que se registra sobre el metro cuadrado pueda ser más peligroso. Esto es lo que creo que es lo que menos tenemos interiorizado y por ello es importante enfatizar sobre este conocimiento. Podemos calcular (independientemente del tamaño de la piscina en superficie) con cuanta altura de agua podemos rellenar la piscina hasta superar el valor de resistencia de carga de 200 kg/m²:
Si:
1 m³ = 1000 l = 1000 kg
Para tener 200 kg en 1 m² necesitamos 0,2 m³ y por lo tanto:
1 m · 1 m · h m = 0,2 m³
Y por lo tanto:
h m = 0,2 m
Con solo alcanzar los 20 cm de agua en un metro cuadrado sea cual sea el tamaño la piscina estaremos en peligro por superar la resistencia máxima del forjado.
La fuerza que ejerce un fluido sobre un sólido sumergido es igual al volumen del objeto por la densidad del fluido. Este objeto flotará si el resultado de la fuerza es superior al peso del objeto que se sumerge saliendo a la superficie una parte del objeto hasta que alcance el equilibrio de fuerzas con el fluído.
Muy interesante este vídeo ya que por fin he podido aprender de dónde venían estas fórmulas que a mí me contaron pero no me enseñaron. Gracias a esto podré enseñar correctamente a mis alumnos acerca de este concepto de presión. Aquí comentar también que la realización de una columna de densidades permitiría ejemplificar visualmente este concepto y fomentar un aprendizaje significativo con los alumnos. Además, es muy sencilla de realizar, solo se necesitan líquidos con diferente densidad como miel, agua, aceite, alcohol… fáciles de encontrar y un recipiente grande. Se van añadiendo los líquidos de más denso a menos que quedarán separados formando capas y, después, se pueden ir introduciendo objetos cotidianos (tapones de plástico, corchos, monedas…) para ir comprobando su flotabilidad, la cual es dependiente de la presión.
La presión de los fluidos es un concepto fundamental con una amplia gama de aplicaciones en nuestra vida diaria y en numerosos campos, desde la medicina hasta la ingeniería. Algunos de estos ejemplos cotidianos pueden ser los grifos y duchas, los neumáticos de los automóviles, los sifones, los filtros del café, etc. Por eso es tan importante una clara explicación de este concepto en el aula.
Si aplicamos el principio de Arquímedes a un objeto parcialmente sumergido en dos fluidos diferentes, el principio nos dice que el objeto recibe dos fuerzas de empuje hacia arriba(ascendentes), cada una igual al peso de cada fluido desalojado. Por ejemplo en el siguiente video se resuelve un problema donde un objeto está parcialmente sumergido en dos fluidos, agua y aceite. Entonces, la fuerza igual al peso del objeto hacia abajo está equilibrada con la fuerza igual al peso del aceite desplazado más la fuerza igual al peso de agua desplazada.
Un claro ejemplo de presión hidrostática lo podemos encontrar en el océano. Los submarinistas son sometidos a grandes presiones cuanto más profundo buceen. En el siguiente vídeo veremos esos efectos en una botella de plástico que va variando su profundidad.
Concuerdo con los comentarios anteriores en que este video es muy denso y poco atractivo para el alumnado, por lo que en el aula usaría otros videos más llamativos como los propuestos por otros participantes o demostraciones prácticas como un densímetro como este. Junto con la demostración del densímetro, se le puede plantear al alumnado la siguiente cuestión: ¿Qué ocurre cuando un galeón viene de las Indias Occidentales cargado «a tope» y entra en el antiguo puerto de Sevilla en aguas del Guadalquivir? En este caso, el galeón se comporta como un densímetro. Como el agua del Guadalquivir es dulce, su peso específico es menor y, en consecuencia, el empuje disminuye. Si el galeón va cargado «a tope» para agua de mar, se hunde al entrar en el Guadalquivir. Es por esto que los barcos tienen marcas que corresponden a la línea de flotación con diversas cargas para agua dulce y salada.
Yo estoy también de acuerdo con los comentarios anteriores. Es un vídeo muy lento, largo y aburrido para el alumnado. La explicación por el docente se puede equiparar a la del vídeo para la explicación teórica. El alumnado terminará aburrido. No obstante no podemos prescindir de la formulación en los conceptos pero con dibujos llamativos y explicándolo poco a poco utilizando diferentes colores para la representación se hace más divertida la enseñanza finalizando con algún experimento sencillo en clase o un vídeo más atractivo y que les llame la atención.