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Aeróstato

Aeronaves carentes de elemento propulsor alguno, los aeróstatos utilizan el principio de Arquímedes para navegar. Por este motivo, en su movimiento, aprovechan las corrientes de aire. También se conocen por el nombre de globos por su forma esférica y por estar llenos de un gas más ligero que el aire. Generalmente, en su parte inferior llevan una barquilla capaz de transportar personas. El funcionamiento físico de los aeróstatos se basa en las ecuaciones de la mecánica de fluidos y, en concreto, de la aerodinámica. Si se designa por V el volumen del globo y por d a la densidad del aire, el empuje que experimenta el aeróstato es:. E = V · d · g. Por tanto, la fuerza que le hace ascender, que será la diferencia entre ese empuje y el peso del gas, llamando m a la masa de éste, se obtiene como:. F = V · d · g – m · g. Si se denota por d’ la densidad del gas, se cumplirá que:. m = V · d’. y:. F = V · d · g – V · d’ (1). A medida que se produce el ascenso del aeróstato, tanto la...

Altímetro

Los instrumentos destinados a medir la elevación de un observador sobre un nivel de referencia que, en términos generales, es el del mar se conocen por altímetros. Estos instrumentos se basan en el conocido hecho de que la presión atmosférica, que ejerce sobre la Tierra la envoltura gaseosa que la circunda, disminuye con la altura. Físicamente, los altímetros fundamentados en esta variación, llamados altímetros barométricos, constan de un dispositivo de medida sensible al valor que mide en cada momento la presión atmosférica. Si este valor es bajo, el dispositivo se dilata y marca un valor elevado; si, por el contrario, es alto, se contrae y el valor de la marcación disminuye. El funcionamiento de este tipo de altímetros, muy usados por deportistas, puede verse perturbado por las condiciones meteorológicas. Por tanto, si se desea cierta exactitud debe introducirse en ellos los mecanismos correctores adecuados. Por otra parte, adolecen de cierta inercia, especialmente cuando se...

Efecto Magnus

Enunciado por Heinrich Gustav Magnus, el efecto que lleva el nombre de este físico alemán describe los fenómenos que experimenta un cuerpo que se mueve en el seno de un fluido, con especial atención al caso de que ese fluido sea el aire. Cuando un cuerpo se mueve en el aire con un movimiento rectilíneo de traslación, al tiempo que también describe otro de rotación, aparece sobre él una fuerza que hace desaparecer la trayectoria recta, al provocar una curvatura de la misma. Tal fenómeno se conoce por efecto Magnus. Para su comprensión, debe partirse de una consecuencia del teorema de Bernoulli: el efecto Venturi. Según este efecto, la presión en un fluido en movimiento disminuye en las zonas de mayor velocidad y aumenta en las de velocidad más reducida. Piénsese en un balón que viaja con un movimiento rectilíneo en el seno del aire, al tiempo que gira sobre sí mismo. En ese movimiento de rotación el rozamiento entre el balón y el aire hace que aquél arrastre una delgada capa del...

Equilibrio hidrostático

En un fluido se produce una situación de principio hidrostático cuando en los distintos puntos del mismo existe un equilibrio entre las fuerzas que actúan, como el peso y el empuje vertical derivado de la presión. Esta situación fue descrita en la antigüedad por Arquímedesen un principio que explica que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical ascendente cuyo valor es el peso del volumen de fluido desalojado por el cuerpo. De esta manera, un cuerpo sumergido se halla sujeto a dos fuerzas: su peso, P, y el empuje hidrostático, E, el cual puede considerarse aplicado en un punto, llamado centro de presiones o centro de carena. Cuando los cuerpos son homogéneos, el centro de presiones coincide con el centro de gravedad (c.d.g.). En el estudio del equilibrio hidrostático conviene distinguir dos situaciones: los cuerpos sumergidos y los cuerpos flotantes. En los sumergidos, si el cuerpo no es homogéneo no existirá coincidencia entre el centro de carena y el de...

Gasto y caudal

Se llama caudal de un orificio de un depósito al volumen de líquido que fluye por él en la unidad de tiempo. Si denota por h la altura a la que se halla el orificio y por S a la sección del mismo, el caudal se define:. Ct = S ·. siendo g la aceleración de la gravedad. La fórmula anterior proporciona el llamado caudal teórico. Sin embargo, en la práctica el valor obtenido es menor, ya que la vena líquida sufre una contracción al salir por el orificio. Dicha contracción depende de la forma de dicho orificio, aunque de manera general se cifra en el 38%, por lo que el caudal efectivo es el 62% del real. Así pues:. Ce = 0,62 · S ·. Por otra parte, recibe el nombre de gasto líquido el volumen de líquido que fluye por un orificio en un tiempo dado, t. El gasto será, por tanto, el producto del caudal por el tiempo en cuestión. También en este caso es posible distinguir también dos gastos, teórico y efectivo. Gt = S · t . Ge = 0,62 · S · t ·. Como ejemplo de aplicación práctica,...

Hidrodinámica

Hidrodinámica. El nombre de Arquímedes, residente en la colonia griega de Siracusa, en Sicilia, y uno de los grandes genios de la antigüedad, está unido indisolublemente a los orígenes de la mecánica de fluidos. No sólo enunció el principio que lleva su nombre, uno de los pilares fundacionales de la hidrostática, sino que también ideó el tornillo sinfín en el que se inspiraron multitud de diseños de máquinas hidráulicas de la época grecorromana. Dos siglos más tarde, en el I a.C., el ingeniero romano Vitrubio inventó la rueda hidráulica, que tendría gran repercusión en los procedimientos de molienda de grano. Pese a éstos y otros ingeniosos artilugios basados en el aprovechamiento práctico de los fluidos para fabricar máquinas y mover grandes masas y volúmenes, los conceptos primordiales de la dinámica de los fluidos no fueron bien comprendidos hasta ya entrada la Edad Moderna. El italiano Evangelista Torricelli, en el siglo XVII, inició con su medida de la presión atmosférica y...

Ley de Stokes

Cuando un cuerpo se mueve dentro de un fluido, cuyo coeficiente de viscosidad es , o bien permanece en reposo y el fluido se mueve en torno a él, en régimen laminar, sobre dicho cuerpo actúa una fuerza que se opone al movimiento. Si el cuerpo considerado es una esfera, los cálculos se simplifican, y se demuestra que esa fuerza de fricción o rozamiento, denotada por F, es:. F = 6 · · · r · v (1). siendo r el radio de la esfera y v la velocidad con que ésta se desplaza en el seno del fluido. La expresión (1) recibe el nombre de ley de Stokes. Si se abandona la esfera en la superficie de un líquido viscoso, empezará a caer con un movimiento uniformemente acelerado. Dado que las fuerzas presentes son, además de F, el peso (P = mg) y el empuje del fluido, según el principio de Arquímedes, llamando B a éste, d a la densidad del material de la esfera y d’ a la densidad del líquido se tendrá que:. m·g – B – F = m·a · d · g - · d’· g - F = m · a. de donde:. a = g -. Ahora bien, si la...

Manómetro

Reciben el nombre de manómetros unos aparatos destinados a medir la presión existente en los fluidos. Fundamentalmente existen dos tipos de estos instrumentos: líquidos, basados en el concepto de presión hidrostática, y metálicos, fundamentados en la elasticidad, propiedad típica de los metales y que se manifiesta de forma especial en algunos de ellos. Un ejemplo sencillo de manómetro líquido es el denominado de aire libre, que consiste en esencia en un tubo en forma de U que contiene un líquido. Una de las dos ramas de la U se conecta a un depósito con el fluido cuya presión se desea medir, mientras que la otra está abierta al exterior, por lo que la presión que soporta su superficie libre es la atmosférica. Considerado el punto más bajo de la U, al que puede denotarse por A, se designa por x a la distancia desde él a la superficie libre del líquido del manómetro de la rama conectada al depósito de fluido y se llama d a la densidad de dicho líquido. Se tendrá entonces que la...

Meteorología

Se denomina meteorología a la ciencia que estudia los climas, el estado del tiempo y los meteoros. Estos últimos, fenómenos atmosféricos que tienen una tipología muy variada. Algunos son aéreos, como el viento; otros acuosos, como la lluvia o la nieve; luminosos, como el arco iris, o eléctricos, como el rayo. Otro aspecto muy notable de la disciplina de la meteorología es la elaboración de predicciones sobre el tiempo atmosférico. La importancia de la meteorología es capital en múltiples aspectos de la vida diaria. El comportamiento del tiempo influye de forma decisiva en la agricultura, los transportes y la navegación aérea y marítima, las actividades ligadas al ocio y otros muchos ámbitos. Su importancia se refleja en el continuo seguimiento que en los medios de comunicación (periódicos, información radiofónica o televisiva) se realiza de la predicción del tiempo meteorológico. Entre sus fines, la meteorología se dedica al estudio de varias propiedades o factores de la atmósfera...

Presión atmosférica

Se llama presión atmosférica a la presión que ejerce el aire sobre la superficie terrestre. Negada por los antiguos, quienes pensaban que el aire no pesaba, fue puesta de manifiesto de manera indiscutible por Otto de Guericke mediante su célebre experimento de los hemisferios de Magdeburgo, dos semiesferas que, una vez unidas y hecho el vacío entre ellas, dos potentes caballos tirando en sentidos opuestos eran incapaces de separar. La primera determinación del valor de la presión atmosférica se debe al italiano Evangelista Torricelli, quien demostró que el peso del aire es capaz de sostener una columna de mercurio de 760 mm de longitud sumergida en una cubeta de este metal, a una latitud de 45º, a 0 ºC de temperatura y a nivel del mar. Basándose en este valor, la presión atmosférica en un lugar puede medirse en milímetros de mercurio. Así aparece la unidad de presión denominada Tor (abreviatura de Torricelli), cuya equivalencia es: 1 Tor = 760 mm. Otra unidad de medida de la...

Principios de hidrostática

Principios de hidrostática. Narra una antigua leyenda que, en el siglo III a.C., el tirano de Siracusa, Herón II, reclamó un día del sabio Arquímedes que determinara si una corona que había encargado el soberano era realmente de oro puro, como pretendía el orfebre. Herón añadió como condición que la corona no sufriera daño alguno en la prueba. Ante el desafío, Arquímedes puso a funcionar su cerebro y afiló el ingenio para encontrar una solución. Al fin, continúa el relato, le iluminaron los dioses mientras se hallaba dentro de la bañera. Reflexionando sobre el volumen de agua que desplazaba su propio cuerpo, ideó un procedimiento tan astuto como infalible: pensó que este peso de líquido desplazado debía ser igual al de la parte sumergida de su cuerpo. Así, si introducía la corona en un balde de agua podría medir exactamente su masa sabiendo la cantidad del fluido desplazado. Sólo habría que encontrar una pieza de oro puro que tuviera exactamente el mismo peso que la corona: tal...

Problemas de hidrodinámica

Para la resolución de este tipo de problemas, es preciso tener presente todos los conceptos y fórmulas de la hidrodinámica (flujo, condición de continuidad, teoremas de Bernoulliy Torricelli, gasto y caudal, etc.). Problema 1. Calcular el flujo que atraviesa una tubería circular, de 6 cm de diámetro, por la que viaja un fluido de densidad 0,8 g/cm3 a una velocidad de 4 m/s. Solución. Como el radio de la sección es 3 cm, el área de la misma será:. S = · r2 S = (3,14) · 32 S = 28,26 cm2. Pasando la velocidad a cm/s para homogeneizar unidades:. 4 = 4 = 400cm/s. El flujo es:. F = S · v · d F = 28,26 · 400 · 0,8 F = 9043,2 g/s. Problema 2. Una corriente de agua circula por una tubería de sección variable. En un punto de la misma, el fluido viaja a una velocidad de 1,5 m/s, bajo una presión de 20 Pa, mientras que en una segunda sección, 12 metros por debajo de la primera, la presión que se registra es de 32 Pa. Hallar la velocidad del agua al atravesar esta segunda sección. ...

Tubo de Pitot

Dispositivo ideado por el ingeniero francés Henri Pitot que sirve para medir velocidades y presiones en los fluidos, el tubo de Pitot se compone de dos tubos muy finos, que se sitúan en paralelo a las líneas de corriente del flujo laminar. Uno de ellos está provisto de una abertura lateral y se encuentra unido a un manómetro que mide la presión estática, p. El otro presenta una abertura en la punta, lugar en el que, por producirse un estancamiento, la velocidad del fluido es nula. Si se considera el tubo que tiene la abertura en su punta y en ese lugar se aplica el teorema de Bernoulli, al ser la velocidad nula, llamando p’ a la presión dinámica:. h + p + · v2 = h + p’ + · 02. siendo h la altura geométrica (igual en ambas situaciones), v la velocidad del fluido y la densidad del mismo. De esta ecuación se deduce que:. p + · v2 = p’. Si se coloca en una misma sonda ambos tubos (el de abertura lateral y el de abertura en la punta) y se conectan a sendos manómetros, por lectura de...

Vasos comunicantes

Se conoce por vasos comunicantes a un conjunto de recipientes de diversa forma, comunicados entre sí, destinados a contener líquidos en su interior. Cuando en ellos se vierte un líquido, éste alcanza la misma altura en todos los vasos. Hoy en día basta con aplicar los principios de la hidrostática para explicar el funcionamiento de los vasos comunicantes. Sin embargo, en la antigüedad el hecho de que el líquido alcanzara igual altura en todos los recipientes movía al asombro, hasta el punto de que el fenómeno se dio en llamar paradoja hidrostática. Actualmente se sabe que la presión hidrostática en cada punto de un fluido depende únicamente de la profundidad que se considere, al margen de la forma del recipiente contenedor del líquido. El principio de los vasos comunicantes tiene diversas aplicaciones. Entre las más conocidas, justifica que los depósitos de agua para poblaciones o casas se sitúen en lugares elevados, que las botellas de goteo se coloquen en un plano superior a la...

Viscosímetro

Se llama viscosímetro a un dispositivo que sirve para medir la viscosidad de un líquido en comparación con la del agua. Este instrumento se basa en que el tiempo, t, que invierte un líquido en fluir por un capilar es:. t = k· (1). donde k es una constante que depende del tubo, el coeficiente de viscosidad del fluido y d su densidad. Un modelo de viscosímetro muy extendido es el de Ostwald, un tubo en U, con sus dos ramas abiertas y dotadas de sendos depósitos esféricos. En una de las ramas, la esfera está precedida de un embudo y seguida de un capilar que se une a la rama general, de mayor grosor. Esta esfera tiene dos marcas en su entrada, junto al embudo y en la salida, junto al capilar. Para medir la viscosidad de un cierto líquido, se tapa con un dedo el extremo de la rama que tiene la esfera sin marcas y, por medio del embudo, se va llenado el dispositivo, hasta que el nivel alcance parte de la esfera de la rama tapada. Si se retira el dedo, el fluido comenzará a descender...