Densidad
El volumen de un cuerpo es la medida de la cantidad de espacio tridimensional que ocupa.
- El volumen de algunos sólidos geométricos se puede calcular por medio de algunas fórmulas de cálculo (http://www.onlinemathlearning.com/solid-geometry.html).
- El volumen de líquidos generalmente se calcula vertiéndolos en un cilindro graduado (en una probeta).
- Para medir el volumen
de un gas éste debe encerrarse dentro de un recipiente completamente hermético. Pero, el gas siempre ocupará todo el volumen del recipiente.
La unidad de volumen
en el Sistema Internacional de Unidades es el “metro cúbico” (m3). Dependiendo del campo de trabajo, también se usan centímetros cúbicos,
mililitros, litros, galones, etc.
Un cuerpo como un
sólido o un líquido puede caracterizarse por su masa (m), su volumen (V) y su
peso (mg), etc.
Si el cuerpo tiene
una distribución uniforme de masa, también se puede caracterizar por su “densidad”
(ρ).
La densidad de un cuerpo uniforme se define como el cociente de su masa y su
volumen:
La unidad de medición
de densidad en el SI es el “kilogramo/metro
cúbico” (kg/m3).
Pero también se usa
la unidad “gramo/centímetro cúbico” (g/cm3).
Con un poquito de manejo matemático se puede probar que 1 g/cm3 =
1000 kg/m3.
La densidad del agua
(H2O) destilada es 1 g/cm3 = 1000 kg/m3.
La densidad de la
gran mayoría de las substancias es afectada ligeramente por la presión y la
temperatura.
Para encontrar la
masa de un cuerpo se multiplica el volumen por la densidad y para conocer el
volumen de una cierta cantidad de masa, se divide esta por la masa por la densidad.
Presión hidrostática
Si usted introduce un cuerpo como una bola, un huevo, un pez, un submarino y hasta usted buceando bajo la superficie del agua, este cuerpo experimenta una “presión hidrostática” en cada punto de su superficie.
Desde luego la presión también la ejerce cualquier otro líquido y hasta un gas, como ocurre con la “presión atmosférica”, ejercida por la mezcla de gases que llamamos aire.
La presión que ejerce un fluido (líquidos y gases) depende de la densidad del fluido y su causa principal es el peso del fluido por encima del punto donde medimos la presión.
La presión hidrostática depende entonces de la profundidad. Si buceamos a 10 metros bajo el agua, la presión que sentimos será unas dos veces la que sentimos a una profundidad de 1 metro.
- La presión se define como la fuerza por unidad de área que ejerce un fluido, sobre cualquier superficie en contacto con el fluido (incluyendo las paredes del recipiente que lo contenga:
Evidentemente ¡La presión no es una fuerza!, es una cantidad que no tiene dirección, solo magnitud; es un escalar.
Esto significa que si en un punto dado de un fluido en reposo, usted intenta medir la presión, no importa como oriente el área, el resultado de la presión siempre será el mismo.
La unidad de medición de la presión es el “newton/metro2” (N/m2). A esta unidad se le denomina “pascal”, en honor al físico y matemático francés Blaise Pascal (https://en.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascal).
Pero en otros campos como en meteorología se usan unidades como “milibares”, “atmósferas”, “milímetros de mercurio” y “libras por pulgada cuadrada”.
Sobre la superficie de la Tierra, el peso de la atmósfera ejerce presión sobre todo lo que hay en ella, es lo que llamamos presión atmosférica.
Nosotros no somos muy conscientes de esta presión atmosférica porque siempre estamos inmersos en la atmósfera y sus cambios debidos a la temperatura, el viento, la humedad y otros factores meteorológicos no los podemos detectar fácilmente, pero si lo hace un instrumento para medir la presión atmosférica, llamado “barómetro”.
El valor estándar de la presión atmosférica terrestre es 101,3 kilo pascales, que es equivalente a “una atmósfera”, o “14,7 libras/pulgada2” y a “760 milímetros de mercurio”.
La presión que ejerce un líquido en un punto a cierta profundidad bajo su superficie es la suma de la presión atmosférica (siempre presente), más la ejercida por el peso del líquido, debido a su densidad y al efecto de la gravedad, resulta ser:
El efecto de la profundidad es muy importante tenerlo en cuenta. Cuando se construye una represa para la reserva de agua de una planta hidroeléctrica, la base de la represa debe ser suficientemente ancha para contrarrestar el gran efecto de la fuerza horizontal sobre la pared, debido a la presión que crece con la profundidad, esto para lograr que el agua no la vuelque.
La fuerza que ejerce la presion hidrostatica sobre la superficie de cualquier cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido, es siempre perpendicular a la superficie y hacia adentro de ella.
En el caso de un barco que flota en el agua, la resultante de todas las fuerzas sobre la superficie del casco del barco es la que proporciona la fuerza de “empuje” hacia arriba (¡Principio de Arquímedes!), responsable de la flotación del barco.
Si usted está en un bote que tiene un agujero en la base, podrá notar un chorrito de agua subiendo desde el fondo, porque la presión del agua ejerce una fuerza sobre la superficie del bote, perpendicular a ella, la cual arrastra el agua hacia arriba.
La presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. Esto se conoce con el nombre de “principio de Pascal”.
El funcionamiento de una prensa hidráulica está basado en este principio.
Principio de Arquímedes
Pueden suceder tres cosas:
- El cuerpo flota parcialmente sumergido, como lo hace una bola de playa o un bote.
- El cuerpo se hunde por completo y finalmente descansa en el fondo del recipiente. Como le sucede a una piedra o a un clavo de hierro en el agua.
- El cuerpo permanece en equilibrio bajo la superficie del líquido, pero siempre totalmente sumergido. Como lo puede hacer un pez o un submarino.
¿En qué consiste la diferencia?
La explicación está
en el valor de la fuerza hacia arriba, que ejerce el líquido sobre el cuerpo.
Esta fuerza se llama “empuje” (E) y se calcula por medio del Principio
de Arquímedes:
- “Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un líquido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba, igual al peso del volumen del líquido que desaloja.”
Esto porque el
volumen sumergido del cuerpo es igual al volumen que el cuerpo desaloja, cuando
se coloca en el líquido.
Entonces se pueden
explicar las tres situaciones anteriores:
- Si el cuerpo flota parcialmente sumergido, el empuje (E), es igual al peso del cuerpo.
- Si el cuerpo se hunde y se val al fondo, el Empuje (E). en menor que el peso del cuerpo.
- Si el cuerpo permanece en equilibrio, totalmente sumergido, el empuje (E), es igual al peso del cuerpo.
La construcción de
barcos de metal y de otros materiales más pesados que el agua, se logra
dándoles una forma de cascarón hueco, tal que pueda desplazar (desalojar) una
cierta cantidad de agua, que equilibre el peso total del barco, sin que se
hunda completamente. Usted logra algo semejante cuando flota en una piscina.
Un caso interesante es la flotación de un témpano de hielo en el mar. El hielo es menos denso que el agua fresca, porque al congelarse ésta se expande un poco. Por su lado el agua de mar, por efecto de la sal disuelta, es un poco más densa que el agua fresca. El efecto combinado hace que el “iceberg”, flote con solo un 11 % de su volumen fuera del mar.
Presión Atmosférica
La presión
atmosférica es causada por la atracción gravitacional del planeta sobre
los gases de su atmosfera.
Depende de la masa del
planeta, el radio de la superficie, la cantidad y composición de los gases y
su distribución vertical en la atmósfera.
Se modifica por la
rotación planetaria y los efectos locales como la velocidad del viento, las
variaciones de densidad debido a la temperatura y las variaciones en la
composición.
En la mayoría de las
circunstancias, la presión atmosférica se aproxima por la presión hidrostática causada por el peso del aire por encima del punto de medición. A medida que aumenta la elevación, hay menos masa
atmosférica superpuesta, por lo que la presión atmosférica disminuye con el
aumento de la elevación.
La presión mide la fuerza por
unidad de área, con unidades SI de pascales (1 pascal = 1 newton por metro
cuadrado, 1
N/m2).
En promedio, una columna de aire con un área de sección transversal de 1 centímetro
cuadrado,
medida desde el nivel promedio del mar hasta la parte superior de la atmósfera
de la Tierra, tiene una masa de aproximadamente 1,03 kilogramos y ejerce una fuerza o "peso" de
aproximadamente 10,1 newton, lo que resulta en una
presión de 10,1 N / cm2 o 101 kN / m2 (101 kilopascales).
Una columna de aire con un área
de sección transversal de 1 pulgada cuadrada tendría un peso de aproximadamente
14.7 libras, lo que resulta en una presión de 14.7 libras/pulgada cuadrada
A bajas altitudes sobre
el nivel del mar, la presión disminuye en aproximadamente 1,2 kPa por cada 100
metros.
Una atmósfera (101.325 kPa o 14.7
psi) es también la presión causada por el peso de una columna de agua fresca de
aproximadamente 10.3 m (33.8 pies). Por lo tanto, un buceador a 10,3 m bajo el
agua experimenta una presión de aproximadamente 2 atmósferas (1 atm de aire más
1 atm de agua). Por el contrario, 10,3 m es la altura máxima a la que se puede
elevar el agua mediante succión en condiciones
atmosféricas estándar.
El agua pura hierve a 100 ° C a la presión atmosférica estándar de la Tierra. El punto de ebullición es la temperatura a la que la presión de vapor es igual a la presión atmosférica alrededor del agua. Debido a esto, el punto de ebullición del agua es más bajo a menor presión y más alto a mayor presión. Cocinar a grandes alturas, por lo tanto, requiere ajustes en las recetas o en la cocción a presión.
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