Hidrostática

La rama de la mecánica que se encarga de estudiar el estado de reposo que tienen los fluidos se conoce con el nombre de hidrostática. La hidrostática se encarga de analizar las presiones ejercidas por un fluido en estado de reposo, y cuando hablamos de un fluido nos referimos a cualquier fluido, no específicamente al agua. La definición de un fluido merece una consideración especial y aunque el tiempo no es un factor determinante en el campo de la hidrostática, entra en el enfoque del equilibrio hidrostático. Por lo general, decimos que un fluido es una sustancia que no puede resistir un esfuerzo cortante, por lo que las presiones son normales en las superficies confinadas.

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Hidrodinámica

¿Qué es la hidrostática?

La hidrostática es una de las importantes ramas de la mecánica de fluidos que tiene como función la de estudiar los fluidos que se encuentran en estado de reposo sin que hayan fuerzas que los alteren ya sea en su movimiento o en su posición.

Qué estudia la hidrostática

La hidrostática es una rama que pertenece al área de la mecánica de fluidos o de la hidráulica que se encarga de estudiar los diferentes tipos de fluidos que se encuentran en estado de equilibrio; en otras palabras, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Existes dos importantes y principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática y éstos son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Es importante mencionar que un estudio de hidrostática también puede incluir la capilaridad, las leyes de los gases ideales, la velocidad del sonido y la higrometría. La hidrostática es una ciencia muy concreta que evita los conceptos esotéricos y las matemáticas avanzadas. También es mucho más fácil de demostrar que la mecánica newtoniana.

Historia

La historia de la hidrostática se basa en Arquímedes quien fue llamado por él el rey Herón de Siracusa para que le ayudara a resolver un importante problema que tenía. El rey Herón le había entregado a un platero una determinada cantidad de oro para hacer una corona. Cuando se terminó la corona, la gente empezó a pensar que el platero había sustituido una parte del oro por plata, y que por esta razón había engañado al rey.

El rey le pidió a Arquímedes que descubriera si había sido engañado y que determinara si el joyero había sustraído parte del oro o no, pero no podía romper la corona para averiguarlo. Arquímedes pensó en la forma de resolver el problema, sin hallar una solución, hasta que un día que se estaba bañando en una tina, puso mucha agua y cuando se sumergió, el agua empezó a derramarse. Fue en ese momento que entendió lo que había pasado con la corona del rey.

Características de los fluidos

Las principales características que tienen los fluidos son las siguientes:

• Los fluidos no tienen una forma fija pero sí volumen.
• Tienen variabilidad de forma y presentan propiedades muy específicas.
• Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene.
• Tienen la capacidad de fluir o escurrirse con mucha facilidad si no están contenidos en un recipiente.
• Se pueden dilatar y contraer como los sólidos.
• Posee cohesión que permite mantener unidas a las moléculas que existen en una misma sustancia.
• Tienen tensión superficial debido a la atracción que existe entre las moléculas que hay en la superficie de un líquido.
• Gozan de adherencia, una fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto.
• Tiene capilaridad la cual se da cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, debido al fenómeno de adherencia.

Principios de la hidrostática

La hidrostática tiene dos principios principales por los cuales se rige, y éstos son los siguientes:

Principio de Pascal

Consiste en una ley que fue enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal y que nos dice que “el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible contenido en un recipiente indeformable se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo”. En otras palabras, podemos decir que cuando se aplica una determinada presión a un líquido en un recipiente cerrado, se trasmitirá con la misma intensidad en todas las direccione y sentidos.

Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes es el que nos dice que cualquier cuerpo sólido que esté sumergido de forma total o parcial dentro de un fluido será empujado en dirección ascendente por una fuerza igual al peso del volumen del líquido desplazado por el cuerpo sólido. Este objeto no tiene que estar completamente sumergido en el fluido, ya que si el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, este flotará y estará sumergido solo parcialmente.

Ecuación fundamental de la hidrostática

La ecuación fundamental es la siguiente:

p₂ – p₁ = ρg (h₂ – h₁)

Nos indica que para un líquido determinado y para una presión exterior constante, la presión del interior va a depender solamente de la altura y por esta razón, todos los puntos del líquido que se encuentren al mismo nivel soportan igual presión.

Aplicaciones

Algunas de las aplicaciones en las que podemos observar el uso de la hidrostática son las siguientes:

La hidrostática se utiliza por ejemplo en el sistema de un gato hidráulico en el cual hay dos émbolos. Se le aplica fuerza en el embolo pequeño para crear una presión en el fluido y esa misma presión es igual en el otro embolo que tiene un área mayor. Entonces, para lograr tener iguales presiones, la fuerza debe de ser mayor, para poder generar una fuerza grande con una pequeña y esto es lo que permite levantar un coche con tan solo la fuerza de nuestro brazo.

En los frenos hidráulicos, el movimiento del pedal del freno fuerza a un pistón para que se mueva en el cilindro lo que hace presión a un líquido delante del pistón, obligándolo a pasar por medio de los conductos de freno hacia los cilindros de ruedas.

Ejemplos

Algunos ejemplos de hidrostática son:

• La prensa hidráulica.
• La flotación de una embarcación.
• La presión que ejerce el agua de un tanque sobre las canillas.
•  La presión que soporta una persona sumergida en el mar.