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Fluidos Fisica
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Fluidos Fisica
Presión
Cuando se ejerce una fuerza sobre una superficie, sus efectos no solo dependen de su
intensidad, sino que también del área sobre la que se aplica. No es lo mismo golpear un
clavo con punta que sin punta, así como tampoco es lo mismo pisar la nieve con o sin
raquetas en los pies. Esencialmente, mientras mayor es el área sobre la que se distribuye
la fuerza, menor será su efecto. Para caracterizar este fenómeno se define la presión P
como el cociente entre la fuerza F realizada y el área A sobre la que se realiza. Es decir que
P = F/A.
Presión hidrostática
Si un fluido está en equilibrio, cada porción del mismo está en equilibrio (excepto a nivel
microscópico). Como sabemos, para que esto último ocurra, las fuerzas que actúan sobre
cada porción del fluido deben cancelarse, de manera que el peso de cada parte del fluido
necesariamente debe compensarse con la fuerza que hace sobre la misma el fluido
circundante. Cuando se impone esta condición, se encuentra que la variación de presión
ΔP entre dos puntos de un fluido en equilibrio queda determinado por:
ΔP = ρ g Δh
Donde Δh es la diferencia de profundidad entre los puntos de interés. La ecuación anterior
se define como el Teorema general de la hidrostática. De la misma se deduce que la presión
a una profundidad h de un fluido es P = PAtm + ρ g h.
Principio de Pascal
La presión que se ejerce sobre un fluido confinado se transmite, sin disminución ni
aumento, a cada punto del fluido y las paredes del recipiente. Este principio permite
explicar el funcionamiento de la prensa hidráulica, ya que la presión es igual sobre
cualesquiera dos puntos del fluido a una misma altura, haciendo que F1/A1 = F2/A2.
ϒ=F/L
El efecto de capilaridad se produce gracias a la fuerza de la tensión superficial que
aumenta o disminuye el nivel de líquido dentro de un capilar. La altura del líquido
alcanzada se calcula como: h = (2 ϒ cos ϴ) / (δ g r). Donde r es el radio del capilar y ϴ el
ángulo entre la tensión superficial y el capilar.
Las burbujas poseen una diferencia de presión entre su interior y exterior. Esta diferencia
de presiones se equilibra por medio de la tensión superficial. La diferencia de presión se
puede calcular como ∆P = 4 ϒ / r para una burbuja y ∆P = 2 ϒ / r cuando se trata de una
gota de líquido.
Ecuación de Bernoulli
La ecuación de Bernoulli es la expresión matemática de la conservación de la energía por
unidad de volumen para el flujo laminar de un fluido ideal. La ecuación de Bernoulli
establece que:
P + ½ ρ v² + ρ g h = constante
Donde P es la presión interna del fluido en un punto, v su velocidad en el mismo y h es la
altura a la que se encuentra dicho punto sobre algún nivel de referencia. Notar la
diferencia entre esta h y la correspondiente a hidrostática, donde la primera es altura y la
segunda profundidad.
Propiedades de los fluidos:
Viscosidad:
Si se hace correr suavemente una cantidad de pintura sobre un plato, se moverá más lentamente que
una cantidad de agua. Esta diferencia se debe a la viscosidad, que es una propiedad de los fluidos. En
los líquidos se debe a las fuerzas de cohesión intermoleculares, y en los gases, a las colisiones entre las
moléculas del gas. La capa del líquido que está en contacto con la superficie del plato, prácticamente
no se mueve, mientras que las sucesivas capas superiores tendrán velocidades crecientes. Se formará
así un perfil de velocidades, que caracteriza al flujo laminar.
La viscosidad de un fluido se expresa cuantitativamente mediante el coeficiente de viscosidad (η),
característico de cada sustancia fluida, y su unidad es Pa.s (Pascal por segundo). Este coeficiente varía
con la temperatura. En los líquidos, al aumentar La temperatura disminuyen las fuerzas de cohesión y,
por lo tanto, también disminuye el coeficiente de viscosidad. En los gases, en cambio, el aumento de
temperatura provoca una mayor cantidad de choques entre las moléculas y, por lo tanto, un aumento
del coeficiente de viscosidad.
Imaginemos una jeringa cargada con agua primero y con dulce de leche después. En
ambos casos queremos expulsar los líquidos lo más rápido posible. Con el agua no hay
problema; un poco de fuerza y ya sale. Con el dulce de leche hay problemas: la fuerza
que hay que hacer en el émbolo es grande, y aún así sale muy lentamente.
La ley de Poiseuille
La ecuación de Bernoulli fue formulada para fluidos ideales (no viscosos e incompresibles). En los
fluidos reales, compresibles o incompresibles, que circulan por un conducto, la viscosidad causa una
pérdida de energía mecánica que depende del caudal, el coeficiente de viscosidad η, el régimen de flujo
y la geometría del conducto.
La ley de Poiseuille permite calcular relacionar la pérdida energética con el caudal, el coeficiente η y las
dimensiones de un tubo cilíndrico de paredes rígidas, en condiciones de flujo laminar. Poiseuille
demostró experimentalmente en 1846 que el caudal Q se relaciona con la diferencia de presión entre
los extremos del tubo ΔP, su diámetro interno D y su longitud L, según la siguiente ecuación:
4
Q = k. ΔP.D /L
La rigurosidad de los experimentos de Poiseuille puede apreciarse con un simple ejemplo. La viscosidad
del agua a 10 ºC calculada con el valor que él estimó para la constante k es de 1,3084 cP. El valor
aceptado actualmente es de 1,3077 cP. ¡El error fue de sólo 0,05 %!
Si en lugar del diámetro se emplea el radio interno r del tubo, simplemente varía la constante k:
4
Q = k’. ΔP.r /L
Poiseuille halló que la constante k disminuía con la temperatura (hoy sabemos que esto es debido a la
influencia de ésta sobre la viscosidad de los líquidos) pero era independiente del caudal y del radio y
longitud del tubo. Poco después Wiedeman (1856) e independientemente Hagenbach (1860)
modificaron la ecuación a su forma actual, que incluye la viscosidad como un factor independiente:
4
Q = ΔP. π .r /(8 . L . η) Ley de Poiseuille
De ella se deduce que:
a mayor caudal, mayor presión
a mayor longitud, mayor presión
a mayor viscosidad, mayor presión
a mayor radio, menor presión
El flujo viscoso es disipativo, porque parte de la EMT(v) se pierde en forma de calor debido a la fricción
intermolecular. Cuando un fluido viscoso circula con caudal constante por un tubo horizontal de radio
uniforme, su energía cinética y su energía potencial gravitatoria son constantes, de modo que la única
forma en que la EMT(v) puede reducirse es a expensas de la presión lateral P. Dicho de otro modo, la
diferencia de presión entre los extremos del tubo, ΔP, representa la transformación en calor de la
energía mecánica necesaria para sustentar el caudal observado. La ecuación de Poiseuille puede, por
tanto, expresarse como:
4
ΔP = Q. 8. L. η / (π . r )
El caudal se puede expresar como ΔV/Δt, dónde se describe el volumen ΔV de fluido que pasa por un
punto dado durante un tiempo Δt. A éste cociente se lo llama tasa de flujo y se mide en m3/s y depende
de las propiedades del fluido y de las dimensiones del tubo, así como de la diferencia de presión ΔP
entre los extremos del tubo.
Número de Reynolds
5. Calcular Ia densidad (ρ), el peso específico (ϒ) y la densidad relativa del aluminio,
sabiendo que 3 m3 pesan 8100 kp.
a) ρ = 275,51 UTM/m3
b) ϒ = 2700 kgf/m3
c) Densidad relativa = 2,7
d) a y b correctas.
e) Todas correctas.
6. Un acróbata de 60 kg realiza un acto de equilibrio sobre un bastón. El extremo
del bastón, en contacto con el piso, tiene un área de 0,92 cm2. Calcule Ia presión
que el bastón ejerce sobre el piso. Despreciar el peso del bastón.
a) 6,39 x 105 Pa
b) 6,39 x 104 Pa
c) 6,39 x 106 MPa
d) 639 MPa
e) 6,39 x 106 Pa
11. La columna de mercurio de un barómetro tiene una altura “h” de 740,35 mm. La
temperatura es de -5,0°C, a cuya temperatura la densidad del mercurio es de
1,3608 x 104 kg/m3. La aceleración en caída libre “g” en el sitio del barómetro es
de 9,7835 m/s2. ¿Cuál es la presión atmosférica?
a) 739,29 torr
b) 0,98566 bar
c) 9,8566 x 104 Pa
d) a y b correctas.
e) Todas correctas.
13. El pulmón humano funciona contra una diferencial de presión menor de 0,05 atm
¿A qué profundidad del nivel del agua puede nadar un buceador que respire por
medio de un tubo largo (Snorkel)?
a) 0,517 m
b) 51,7 mm
c) 517 cm
d) 5,17 x 102 cm
e) Todas son correctas.
14. A una altura de 10 km (33000 pies) sobre eI nivel del mar la presión atmosférica
es de aproximadamente 210 mmHg. ¿Cuál es Ia fuerza normal resultante sobre
una ventana de 600 cm2 de un avión que vuela a esa altura? Suponga que la
presión dentro de la nave es de 760 mmHg. La densidad del mercurio es 13600
kg/m3.
a) 4,38 kN
b) 4,38 MN
c) 4,38 N
d) 4,38 x 10-3 N
e) 43,8 kN
15. Un tubo angosto está soldado a un tanque como se muestra en la figura. La base
del tanque tiene un área de 80 cm2. a) Calcular la fuerza que el aceite ejerce sobre
el fondo del tanque cuando éste y el tubo están llenos con aceite (ρ = 0,72 g/cm3)
a una altura h1 b) Repítase para h2.
a) 21,45 N y 29,91 N
b) 11,29 N y 19,76 N
c) 15,34 N y 16,34 N
d) 1411,2 N y 2469,6 N
e) 1,13 N y 9,6 N
16. Para el mismo modelo del ejercicio anterior ahora calcule. a) la fuerza que el
aceite ejerce sobre el techo del tanque cuando éste y el tubo están llenos con
aceite a una altura h1. b) Repítase para h2.
a) 141,12 N; 1199,52 N
b) 21,45 N; 29,91 N
c) 11,28 N; 19,75 N
d) 1,129 N; 9,6 N
e) 1,128 N; 6,76 N
17. Un barril se abrirá cuando en su interior la presión manométrica sea de 350 kPa.
En la parte más baja del barril se conecta un tubo vertical. El barril y el tubo se
llenan de aceite (ρ = 890 kg/m3). ¿Qué altura debe tener el tubo para que el barril
no se rompa?
a) 30,1 m
b) 40,1 m
c) 26,1 m
d) 0,321 m
e) 0,401 m
18. En una prensa hidráulica el pistón más grande tiene como sección transversal un
área A1 = 200 cm2, y el área de la sección transversal del pistón pequeño es A2 = 5
cm2. Si una fuerza de 260 N es aplicada sobre el pistón pequeño, ¿cuál es la fuerza
F, en el pistón grande?
a) 5,25 N
b) 103 kg
c) 105 N
d) 10,4 kN
e) b y d correctas.
23. Cuál es la fuerza de flotación de un globo de helio con un radio de 30 cm que está
en el aire si la densidad del aire es de 1,3 kg/m3.
a) 3,2 N
b) 4,1 N
c) 1,4 x 105 dinas
d) 3,8 x 104 dinas
e) Todo es correcto.
25. Una esfera de platino pesa 660 gf en el aire, 630 gf en el agua y 606 gf en el ácido
sulfúrico. Calcular las densidades del platino y del ácido sulfúrico.
a) 18 g/cm3 y 2,4 g/cm3
b) 56 g/cm3 y 1,54 g/cm3
c) 14 g/cm3 y 2,26 g/cm3
d) 22 g/cm3 y 18 g/cm3
e) 14,6 g/cm3 y 0,9 g/cm3
26. Cierta pieza de metal “pesa” 5,00 g en el aire, 3,00 g en el agua y 3,4 g en
benceno. Determínese la densidad del metal y del benceno.
a) Densidad del metal 2,5 kg/m3
b) Densidad del benceno 800 kg/m3
c) Densidad del metal 2500 kg/m3
d) Densidad del benceno 0,88 kg/m3
e) b y c correctas.
27. Para levantar un anillo de alambre de 1,75 cm de radio de la superficie de un
recipiente de plasma sanguíneo se necesita una fuerza vertical de 1,61 x 10-2 N
mayor que el peso del anillo. Calcule la tensión superficial del plasma sanguíneo.
a) 0,15 N/m
b) 1 N/m
c) 0,92 N/m
d) 0,073 N/m
e) 2,5 N/cm
28. Calcular la tensión superficial de un líquido que mediante una varilla móvil de 5
cm se equilibra una fuera de 2,5 gf.
a) 0,5 gf/cm
b) 2,5 gf/cm
c) 5 gf/cm
d) 0,25 gf/cm
e) 2,5 N/cm
29. ¿Cuál será la tensión superficial del alcohol cuya densidad es de 0,8 g/cm 3, si
asciende mediante un capilar de 0,3 mm de radio hasta 2 cm?
a) 0,0235 N/m
b) 23,5 dyn/cm
c) 0,047 N/m
d) 4,7 dyn/m
e) a y b son correctas.
30. Una manguera de jardín tiene el diámetro interno de 1,9 cm y está conectada con
un rociador de 24 orificios circulares, que posee cada uno un diámetro de 1,3 mm.
Si en condiciones estacionarias la velocidad del agua en la manguera es de 0,915
m/s, hállese la velocidad de salida por los orificios.
a) 8,14 m/s
b) 7,23 m/s
c) 5,19 m/s
d) 3,43 m/s
e) 2,79 m/s
31. En un tubo por el cual circula determinado fluido, ¿Cuándo se considera al flujo
estacionario?
a) La velocidad de las partículas es colineal a las líneas de corriente.
b) La velocidad de las partículas es constante en módulo a lo largo del tubo.
c) La velocidad de las partículas es constante en el tiempo en cada punto del
tubo.
d) Debe cumplirse todo lo anterior.
e) Sólo b y c son correctas.
32. Por la boca de salida de un tubo 5 cm2 de sección, fluye un litro de un líquido
ideal cada 10 s. Halle la velocidad media del fluido en la salida del tubo.
a) 5 m/s
b) 2 cm/s
c) 50 cm/s
d) 20 cm/s
e) 2 x 102 m/s
34. Por un tubo de sección circular fluye con caudal constante, un líquido
incomprensible. En un punto del tubo cuyo diámetro es de 2 cm la velocidad del
líquido es de 25 cm/s. En un punto donde el tubo se ensancha, la velocidad es de
10 cm/s, calcule el diámetro del tubo en este caso.
a) 5 cm
b) 4,2 cm
c) 3,16 cm
d) 2,75 cm
e) 1,59 cm
35. Un tubo de 34,5 cm de diámetro conduce agua que circula a razón de 2,62 m/s.
¿Cuánto tiempo le tomará descargar 1600 m3 de agua?
a) 1h 49 min
b) 108,87 min
c) 6532,66 min
d) a y b correctas.
e) a y c correctas.
41. Por un tubo cilíndrico horizontal circula un líquido ideal con régimen
estacionario. Si en una región del tubo el diámetro se duplica, siendo
constante el caudal, indique qué condición debe cumplirse.
a) La presión lateral disminuye.
b) La presión terminal no varía.
c) La velocidad del líquido disminuye a la mitad.
d) La energía cinética disminuye 8 veces.
e) Todo es correcto.
46. La rapidez de flujo sanguíneo por la aorta con un radio de 1 cm es de 0.265 m/s. Si
el endurecimiento de las arterias provoca que la aorta reduzca su radio a 0.8 cm,
¿cuál será la rapidez del flujo sanguíneo?
a) 0,979 m/s
b) 1,96 m/s
c) 0,49 m/s
d) 2,65 m/s
e) 0,979 cm/s
47. Utilizando los datos y el resultado del ejercicio anterior, calcule la diferencia de
presión entre las dos áreas de la aorta. (ρ de la sangre: 1.06 .10 3 kg/m 3)
a) 107,24 Pa
b) 53,62 Pa
c) 53,62 KPa
d) 107,24 KPa
e) Ninguna de las anteriores
48. La sangre fluye a una tasa de 5 L/min por la aorta, que tiene un radio de 1.00 cm.
¿Cuál es la rapidez del flujo sanguíneo en la aorta?
a) 0,53 m/s
b) 0,265 m/s
c) 53 cm/s
d) a y c son correctas
e) Ninguna de las anteriores
49. La arteria pulmonar, que conecta al corazón con los pulmones, tiene unos 8 cm de
longitud y un diámetro interior de 5 mm. Si la tasa de flujo en ella debe ser de 25
ml/s, ¿qué diferencia de presión debe haber entre sus extremos? ; μ sangre
2,084.10-3Ns/m2
a) 271, 73 KPa
b) 21,173 Pa
c) 271,73 Pa
d) 0,0027 atm
e) c y d son correctas
50. ¿Cuál es la caída de presión en la sangre cuando pasa por un capilar de 1mm de
longitud y 2μm de radio si la velocidad de la sangre es de 0,66mm/s?
a) No se puede determinar
b) 0,027atm
c) 2750 Pa
d) 20,63 mmHg
e) b,c y d son correctas
51. Una aguja hipodérmica tiene una longitud de 8cm y un radio interno de 0,4mm,
¿Cuál es la resistencia hidrodinámica de la aguja al paso del agua? La aguja se pone
en una jeringa con un émbolo de 3,5cm2 de área, ¿cuál será la diferencia de
presiones que hay que mantener para conseguir un caudal de medicamento de
2cm3/s? μ del medicamento 10-2 dyn.s/cm2 R= 7,96.104 dyn.s/cm5;
1,6 105 dyn/cm2
a) 79,6 x 104 dyn.s/cm5 ; 1,6 x 105 dyn/cm2
b) 7,96 x 104 dyn.s/cm5 ; 1,6 x 105 dyn/cm2
c) 7,96 x 104 dyn.s/cm5 ; 16 x 105 dyn/cm2
d) 7,96 x 104 dyn.s/cm5 ; 16 x 105 dyn/cm2
e) 7,96 x 104 N.s/m5 ; 16 x 105 Pa
52. ¿En qué caso se tendrá flujo laminar, cuando la sangre circula por el extremo
arterial o el extremo capilar? Determinarlo a partir del número de Reynolds de cada
uno. Velocidad media en el extremo arterial 35cm/s y en el extremo capilar
3,9mm/s, radio arterial medio 1,19 cm y radio capilar medio 4 μm, ρ de la sangre
1,1.103kg/m3; μ 2,084.10-3Ns/m2
a) Flujo laminar en el extremo arterial ; Flujo turbulento en el extremo capilar
b) Flujo laminar en el extremo arterial ; Flujo laminar en el extremo capilar
c) Flujo turbulento en el extremo arterial ; Flujo laminar en el extremo capilar
d) Flujo turbulento en el extremo arterial ; Flujo turbulento en el extremo capilar
e) No se puede determinar
53. En un hospital un paciente necesita una transfusión de sangre, que se administrará
a través de una vena del brazo por IV gravitacional. El médico quiere suministrar
500 cm3 de sangre entera durante un periodo de 10 min a través de una aguja
calibre 18, de 50 mm de longitud y diámetro interior de 1.0 mm. ¿A qué altura sobre
el brazo deberá colgarse la bolsa de sangre? La presión venosa es 15 mm HG.
a) 51 cm
b) 25,5 cm
c) 0,51 m
d) 1,02 m
e) a y c son correctos
EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS
7. Por un caño de sección uniforme igual a 50 cm2 circula agua con un caudal
constante de 5 litros por segundo y con una presión lateral de 20 kPa. En
un segmento de su recorrido, la cañería se eleva 10 cm. ¿Cuál es la presión
lateral en
este sector? ¿Qué ocurre con la energía cinética? Suponga el rozamiento nulo.
(ρAgua = 1 g/cm3).
a) Pp = 19020 Pa
b) La Ec/vol no varía y su valor es de 0,5 kPa
c) La Epg/vol vale 980 Pa
d) a y c correctas.
e) Todas correctas.
8. Un globo vacío de caucho tiene una masa de 0,012 kg. El globo se llena
con Helio de densidad 0,181 kg/m3. A esta densidad el globo tiene un
radio de 0,5 m. Si el globo lleno se sujeta a una cuerda vertical. ¿Cuál es
la tensión en la cuerda? (Densidad del aire 0,001293 g/cm3)
a) 4,80 N
b) 6,17 N
c) 23,2 N
d) 5,59 N
e) 0,80 N
11. Una pieza fundida pesa 40 kp y ocupa un volumen de 5 dm3. Por medio
de una cuerda se suspende en un líquido de densidad relativa 0,76.
Hallar la fuerza de flotación o empuje hidrostática B así como la
tensión T en Ia cuerda.
a) 3800 N y 35 kgf
b) 3,8 N y 362 N
c) 3,8 kgf y 36,2 kgf
d) 3,8 kgf y 43,8 kgf
e) 37,24 kgf y 354,76 N
14. Un globo de 5 kg se llena con helio ¿Cuál será su volumen si debe levantar una
carga de 30 kg? (ρAire= 1,29 kg/m3; ρHe = 0,178 kg/m3)
a) 3,147 x 106 cm3
b) 314,7 m3
c) 3,147 x 108 mm3
d) 31,47 x 105 cm3
e) 3,147 x 107 cm3
20. ¿Con qué rapidez fluye el agua desde una llave de 0,80 cm de di si la
presión del agua es de 200 kPa de presión manométrica?
a) 20 m3/s
b) 400 m3/s
c) 2,5 x10-3 m3/s
d) 1 x10-3 m3/s
e) 14,05 m3/s
23. Siguiendo con el problema anterior, por cada carrera hacia debajo de
la bomba, en la que la mano se mueve una distancia vertical de 28 cm.
¿a qué altura se eleva el automóvil?
a) 107,23 cm
b) 7,3 cm
c) 1,3 mm
d) 3,4 mm
e) 130 mm
25. Por un tubo cilíndrico cuya sección es de 2 cm2 circula un líquido ideal
con caudal de 0,12 L/s y una presión lateral de 5760 dinas/cm 2. Si la
densidad del líquido es de 0,8 g/cm3, halle el porcentaje con el que la
presión terminal superará a la presión lateral.
a) 100 %
b) 75 %
c) 50 %
d) 25 %
e) 10 %
26. El agua fluye con una rapidez de 30 ml/s a través de una abertura que se
encuentra en el fondo de un tanque en el cual el líquido tiene una
profundidad de 4 m. Calcúlese la rapidez con que escapa el agua si se
adiciona en la superficie una presión de 50 kPa.
a) 45,3 m3/s
b) 8,85 mI/s
c) 30 ml/s
d) 1,52 ml/s
e) 45,3 ml/s
28. Calcúlese la potencia de salida del corazón si por cada latido bombea
75 ml de sangre con una presión promedio de 100 mmHg. Considérese
que se tienen 65 latidos por minuto.
a) 1,08 W
b) 0,016 W
c) 64,97 W
d) 0,99 W
e) 487,5 W
29. ¿Cuánto trabajo realiza una bomba para elevar 5 m3 de agua hasta una
altura de 20 m e impulsarla dentro de un acueducto a una presión de
150 kPa?
a) 7,50 x 105 J
b) 9,80 x 105 J
c) 1,73 x 106 J
d) 2,30 x 105 J
e) 8,07 x 105 J
30. Se muestra en la figura, que a continuación se detalla, un medidor
Venturi equipado con un manómetro diferencial de mercurio. En la
toma, punto 1, el diámetro es de 12 cm, mientras que, en la garganta,
punto 2, el diámetro es de 6 cm. ¿Cuál es el flujo Q del agua a través del
medidor, si la lectura en el manómetro es de 22 cm?
a) 0,22 m3/s
b) 0,022 m3/s
c) 0,0022 m3/s
d) 2,2 m3/s
e) 0,022 cm3/s
31. Un tanque que contiene aceite con un Per = 0,80 descansa en una
balanza y pesa 78,6 N. Utilizando un alambre, un cubo de aluminio de 6
cm de longitud de arista y Per = 2,70 se sumerge en el aceite. Calcule a)
la tensión en el alambre y b) la lectura en la balanza si no hay derrame
de aceite.
a) La tensión en el alambre es de 4,02 N.
b) La lectura en la balanza si no hay derrame de aceite será de 80,29 N.
c) El empuje tiene un valor de 1,69 N.
d) a y c correctas.
e) Todas correctas.