Parte A Libro 2

Estática de los fluidos

El peso específico de una sustancia es la relación entre su peso y el volumen que ocupa.

_La estática de fluidos estudia el equili-
brio de gases y líquidos. A partir de los conceptos de densidad y de presión, se obtiene la ecuación fundamental de la hidrostática, de la cual el principio de Pascal y el de Arquímides pueden considerarse consecuencias. El hecho de que los gases, a diferencia de los líquidos puedan comprimirse hace que el estudio de ambos tipos de fluidos tengan algunas características diferentes.

Se entiende por fluido un estado de la materia en el que la forma de los cuerpos no es constante, sino que se adapta a la del recipiente que los contiene. La materia fluida puede ser trasvasada de un recipiente a otro, es decir, tiene la capacidad de fluir. Los líquidos y los gases corresponden a dos tipos diferentes de fluidos. Los líquidos tienen un volumen constante que no puede modificarse apreciablemente por compresión. Se dice por ello que son fluidos incompresibles. Los gases no tienen un volumen propio, sino que ocupan el del recipiente que los contiene; son fluidos compresibles porque, a diferencia de los líquidos, sí pueden ser comprimidos.

El estudio de los fluidos en equilibrio constituye el objeto de la estática de fluidos, una parte de la física que comprende la hidrostática o estudio de los líquidos en equilibrio, y la aerostática o estudio de los gases en equilibrio y en particular del aire.

Para lograr un mejor entendimiento del comportamiento de los fluidos en reposo, es necesario recordar los conceptos de densidad, presión, volumen y temperatura.

Densidad

La densidad de una sustancia es la relación entre su masa y el volumen que ésta ocupa. Su unidad en el sistema internacional (SI) es el cociente entre la unidad de masa y la del volumen, es decir kg/m³ o kg·m^­3.

Densidad absoluta es la masa de la unidad de volumen de un cuerpo. Ella depende del peso molecular y de la cantidad de moléculas contenidas en ese volumen, o sea, del grado de aglomeración de las mismas, condición que depende a su vez, de las fuerzas de atracción intermolecular y de la temperatura, agregándose en los gases otro factor importante que es la

presión. Si bien la densidad y el peso específico son términos que se utilizan en forma indistinta en ciertos contextos, lo correcto es diferenciarlos.

El peso específico de una sustancia es la relación entre su peso y el volumen que ocupa. Como peso es igual a masa por aceleración de la gravedad, el peso específico está expuesto a las conocidas variables de la gravedad según la ubicación de los cuerpos en el espacio y sobre la superficie terrestre, en tanto que la densidad será siempre la misma mientras no se modifique el grado de cohesión molecular. La unidad de peso específico en el SI es el N/m³ o N·m^-3.

Por las razones antes señaladas, en lo que corresponde a la densidad, siempre es necesario indicar la temperatura en que se efectúa la medición y, tratándose de gases, la temperatura y la presión. Por otra parte, para lograr un mejor entendimiento sobre el comportamiento de los anestésicos inhalados y los cambios que experimentan al pasar del estado líquido al gaseoso, resulta de utilidad agregar a esta serie de definiciones, la de densidad relativa. La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón. Para sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón el agua, cuya densidad a 4 °C es igual a 1 000 kg/m³. Para gases la sustancia de referencia la constituye con frecuencia el aire que a 0 °C de temperatura y 1 atm de presión tiene una densidad de 1.293 kg/m³. Como toda magnitud relativa que se obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la densidad relativa carece de unidades físicas, por lo que puede ser especificada con la anotación densidad (agua= 1) o densidad (aire= 1), según corresponda. Para resaltar la diferencia entre densidad y peso específico en lo relacionado al comportamiento de algunos anestésicos, podemos establecer, que en igualdad de condiciones (20°C), 1 ml de enflurano o de isoflurano líquidos tienen una masa de 1.51 g, por lo que su peso tiene el mismo valor; mientras que a 1 ml de halotano líquido le corresponde 1.86 g de masa y de peso. A 4 000 m.s.n.m., por ejemplo, esas mismas masas ejercen un peso menor, consecuentemente sus pesos específicos serán menores también.

Se entiende por fluido un estado de la materia en el que la forma de los cuerpos no es constante, sino que se adapta a la del recipiente que los contiene.

La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como

referencia o patrón.

Dinámica de los Fluidos

Presión

El cociente entre la intensidad de la Fuerza (F) aplicada perpendicularmente sobre una superficie dada y el área (S) de dicha superficie se denomina presión (P): P=F/S. La presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce sobre cada unidad de área de la superficie considerada. Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la presión, y cuanto menor sea la superficie para una fuerza dada, mayor será también la presión resultante.

La presión en los fluidos. El concepto de presión es muy general y por ello puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una superficie. Sin embargo, su empleo resulta especialmente útil cuando el cuerpo o sistema sobre el que se ejercen las fuerzas es deformable. Los fluidos no tienen forma propia y constituyen el principal ejemplo de aquellos casos en los que es más adecuado utilizar el concepto de presión que el de fuerza. En el SI la unidad de presión es el pascal (Pa) y se define como la presión correspondiente a una fuerza de 1 newton de intensidad, actuando perpendicularmente sobre una superficie plana de 1 m². 1 Pa equivale, por lo tanto a 1 N/m².

Volumen específico

El volumen específico de cualquier sustancia es el espacio ocupado por un gramo de la misma. Se puede establecer que la masa de un cuerpo muy denso es mayor que la de uno de igual volumen pero de menor densidad, por lo que se puede enunciar, que la masa de toda sustancia (en cualquier estado físico) ocupa un volumen inversamente proporcional a su densidad. Los sólidos y los líquidos son incompresibles, por lo tanto sus volúmenes pueden modificarse exclusivamente mediante cambios térmicos, los que producen la contracción o la dilatación de sus masas. Los gases, en cambio modifican sus volú

menes no sólo a causa de las variaciones térmicas, sino también a las de presión, de donde el volumen específico de los mismos se encuentra en relación inversamente proporcional a la presión a que son sometidos.

Temperatura

La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento. En los cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las moléculas del gas entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares. La teoría cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos moleculares internos es la responsable de los fenómenos caloríficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energías cinéticas individuales de las partículas en movimiento, la energía que resulta es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo expresada en grados de temperatura absoluta o escala Kelvin.

Junto a la definición de temperatura, basada en nuestros sentidos y apoyada en la observación de los fenómenos correspondientes, que la presentan como una propiedad que caracteriza el grado de calor de los cuerpos y rige su transmisión de unos a otros, la teoría cinética propone otra, compatible con la anterior, pero que ofrece la ventaja de explicar cuál es su naturaleza. La temperatura es una medida de nivel de agitación interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros

La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento.

El concepto de presión es muy general y por ello puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una superficie.

Dinámica de los fluidos

_E l estudio del movimiento de los flui-

dos requiere de recordar una serie de conceptos que nos permitan entender

de mejor manera tanto la dinámica de los fluidos, como los fenómenos que se producen en los cuerpos sumergidos en sus corrientes.