El campo de la física de la estática de fluidos

La estática de fluidos es el campo de la física que involucra el estudio de fluidos en reposo. Debido a que estos fluidos no están en movimiento, eso significa que han logrado un estado de equilibrio estable, por lo que la estática de los fluidos se trata principalmente de comprender estas condiciones de equilibrio de fluidos. Cuando se enfoca en fluidos incompresibles (como líquidos) en lugar de fluidos compresibles (como la mayoría gases), a veces se denomina hidrostática.

Un fluido en reposo no sufre un estrés absoluto, y solo experimenta la influencia de la fuerza normal del fluido circundante (y las paredes, si está en un recipiente), que es el presión. (Más sobre esto a continuación.) Se dice que esta forma de condición de equilibrio de un fluido es un condición hidrostática.

Los fluidos que no están en estado hidrostático o en reposo, y por lo tanto en algún tipo de movimiento, caen bajo el otro campo de la mecánica de fluidos, dinámica de fluidos.

Considere una rebanada transversal de un fluido. Se dice que experimenta una tensión pura si está experimentando una tensión que es coplanar, o una tensión que apunta en una dirección dentro del plano. Tal tensión pura, en un líquido, causará movimiento dentro del líquido. El estrés normal, por otro lado, es un empuje en esa área de la sección transversal. Si el área está contra una pared, como el lado de un vaso de precipitados, entonces el área de la sección transversal del líquido ejercerá una fuerza contra la pared (perpendicular a la sección transversal, por lo tanto, no coplanar a ello). El líquido ejerce una fuerza contra la pared y la pared ejerce una fuerza hacia atrás, por lo que hay una fuerza neta y, por lo tanto, ningún cambio en el movimiento.

El concepto de una fuerza normal puede ser familiar desde el principio en el estudio de la física, porque se muestra mucho al trabajar y analizar diagramas de cuerpo libre. Cuando algo está quieto en el suelo, empuja hacia el suelo con una fuerza igual a su peso. El suelo, a su vez, ejerce una fuerza normal sobre el fondo del objeto. Experimenta la fuerza normal, pero la fuerza normal no produce ningún movimiento.

Sería una gran fuerza si alguien empujara el objeto desde un lado, lo que haría que el objeto se mueva tanto tiempo que pueda superar la resistencia de la fricción. Sin embargo, una fuerza coplanar dentro de un líquido no estará sujeta a fricción, porque no hay fricción entre las moléculas de un fluido. Eso es parte de lo que lo hace fluido en lugar de dos sólidos.

Pero, usted dice, ¿eso no significaría que la sección transversal está siendo empujada al resto del fluido? ¿Y eso no significa que se mueve?

Este es un punto excelente. Esa porción transversal de fluido está siendo empujada hacia el resto del líquido, pero cuando lo hace, el resto del fluido empuja hacia atrás. Si el fluido es incompresible, este empuje no moverá nada a ninguna parte. El fluido va a retroceder y todo se quedará quieto. (Si es compresible, hay otras consideraciones, pero seamos simples por ahora).

Todas estas pequeñas secciones transversales de líquido empujan una contra la otra, y contra las paredes del contenedor, representan pequeños pedazos de fuerza, y toda esta fuerza resulta en otra propiedad física importante del fluido: el presión.

En lugar de áreas de sección transversal, considere el líquido dividido en pequeños cubos. Cada lado del cubo está siendo empujado por el líquido circundante (o la superficie del recipiente, si está a lo largo del borde) y todos estos son tensiones normales contra esos lados. El fluido incompresible dentro del cubo pequeño no puede comprimirse (eso es lo que significa "incompresible", después de todo), por lo que no hay cambio de presión dentro de estos cubos pequeños. La fuerza que presiona sobre uno de estos pequeños cubos serán fuerzas normales que cancelarán con precisión las fuerzas de las superficies adyacentes del cubo.

Esta cancelación de fuerzas en varias direcciones es uno de los descubrimientos clave en relación con la presión hidrostática, conocida como la Ley de Pascal después del brillante físico y matemático francés. Blaise Pascal (1623-1662). Esto significa que la presión en cualquier punto es la misma en todas las direcciones horizontales y, por lo tanto, el cambio de presión entre dos puntos será proporcional a la diferencia de altura.

Otro concepto clave para comprender la estática de fluidos es el densidad del fluido Figura en la ecuación de la Ley de Pascal, y cada fluido (así como sólidos y gases) tiene densidades que pueden determinarse experimentalmente. Aquí hay un puñado de densidades comunes.

La densidad es la masa por unidad de volumen. Ahora piense en varios líquidos, todos divididos en esos pequeños cubos que mencioné anteriormente. Si cada cubo pequeño tiene el mismo tamaño, entonces las diferencias en densidad significan que los cubos pequeños con diferentes densidades tendrán diferentes cantidades de masa. Un cubo pequeño de mayor densidad tendrá más "cosas" en él que un cubo pequeño de menor densidad. El cubo de mayor densidad será más pesado que el cubo pequeño de menor densidad y, por lo tanto, se hundirá en comparación con el cubo pequeño de menor densidad.

Entonces, si mezcla dos fluidos (o incluso no fluidos), las partes más densas se hundirán y las partes menos densas se elevarán. Esto también es evidente en el principio de flotabilidad, eso explica cómo el desplazamiento del líquido resulta en una fuerza hacia arriba, si recuerda su Arquímedes. Si presta atención a la mezcla de dos fluidos mientras ocurre, como cuando mezcla aceite y agua, habrá mucho movimiento de fluidos, y eso se cubriría con dinámica de fluidos.

Pero una vez que el fluido alcanza el equilibrio, tendrá fluidos de diferentes densidades que se han asentado en capas, con el fluido de mayor densidad formando la capa inferior, hasta llegar al nivel más bajo. densidad fluido en la capa superior. Un ejemplo de esto se muestra en el gráfico de esta página, donde los fluidos de diferentes tipos se han diferenciado en capas estratificadas en función de sus densidades relativas.