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Estática fluida

A beaker containing fluid with layers of different colors. The top layer is purple, the next layer is amber, then clear, then a whitish liquid. A hydrometer is sticking out of the beaker.

La estática fluida es el campo de la física que implica 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 fluidos se trata en gran medida de comprender estas condiciones de equilibrio de fluidos. Cuando se enfoca en fluidos incompresibles (como líquidos) en lugar de fluidos compresibles (como la mayoría de los gases), a veces se lo conoce como hidrostática .

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

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

Conceptos principales de estadísticas fluidas

Estrés puro vs. Estrés normal

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

El concepto de una fuerza normal puede ser familiar desde el principio del estudio de la física, ya que aparece mucho en el trabajo y análisis de diagramas de cuerpo libre. Cuando algo está sentado 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.

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Una fuerza absoluta sería si alguien empujara el objeto desde un lado, lo que haría que el objeto se moviera tanto tiempo que pudiera superar la resistencia de la fricción. Sin embargo, un coplanar de fuerza dentro de un líquido no estará sujeto a fricción, porque hay fricción & amp; apos; t entre moléculas de un fluido. Eso es parte de lo que lo convierte en un fluido en lugar de dos sólidos.

Pero, usted dice, ¿qué significa eso?? Y lo haría & amp; apos; t eso significa que se mueve?

Este es un excelente punto. Esa astilla de líquido en sección transversal se empuja hacia atrás en el resto del líquido, pero cuando lo hace, el resto del líquido empuja hacia atrás. Si el fluido es incompresible, entonces este empuje no va a mover nada a ninguna parte. El fluido va a retroceder y todo se quedará quieto. (Si es compresible, hay otras consideraciones, pero let & amp; apos; s lo mantienen simple por ahora.)

Presión

Todas estas pequeñas secciones transversales de líquido empujándose una contra la otra, y contra las paredes del recipiente, representan pequeños trozos de fuerza, y toda esta fuerza da como resultado otra propiedad física importante del fluido: la presión.

En lugar de áreas de sección transversal, considere el fluido dividido en cubos pequeños. 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 pequeño cubo no puede comprimir (eso y amp; apos; s qué & amp; quot; incompresible & amp; quot; significa, después de todo), por lo que no hay cambio de presión dentro de estos pequeños cubos. La fuerza que presiona uno de estos pequeños cubos serán fuerzas normales que cancelan con precisión las fuerzas de las superficies adyacentes del cubo.

Esta cancelación de fuerzas en varias direcciones es de los descubrimientos clave en relación con la presión hidrostática, conocida como Pascal & amp; apos; s Law 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.

Densidad

Otro concepto clave para comprender la estática del fluido es la densidad del fluido. Se calcula en la ecuación de la Ley de Pascal & amp; apos; s, y cada fluido (así como sólidos y gases) tienen densidades que se pueden determinar 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 una cantidad diferente de masa. Un cubo pequeño de mayor densidad tendrá más & amp; quot; stuff & amp; quot; 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) juntos, las partes más densas se hundirán y las partes menos densas se elevarán. Esto también es evidente en el principio de flotabilidad, que explica cómo el desplazamiento del líquido resulta en una fuerza hacia arriba, si recuerda sus Arquímedes. Si prestas atención a la mezcla de dos fluidos mientras está sucediendo, como cuando mezclas aceite y agua, habrá mucho movimiento de fluidos, y eso estaría cubierto por la dinámica de fluidos.

Pero una vez que el fluido alcanza el equilibrio, usted y amp; apos; tendrán fluidos de diferentes densidades que se han asentado en capas, con el fluido de mayor densidad formando la capa inferior, hasta que alcance el fluido de menor densidad 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.

& amp; # x203A; Ciencias

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