HIDROSTÁTICA E HIDRODINÁMICA. CONSEPTOS, DEFINICIONES Y RELACIONES CON LA BIOFÍSICA

Integrantes:

Jonathan Igua Muñoz. Lina Marcela Moreno. Mónica Gómez.

Resumen

El término hidrostática se refiere al estudio de los fluidos en reposo. Los fluidos son substancias idealizada mente continua de masa, donde su forma puede cambiar fácilmente por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas. Por otro lado, la hidrodinámica es la parte de la física que estudia el movimiento de los fluidos. Este movimiento está definido por un campo vectorial de velocidades correspondientes a los distintos puntos. Contemplando y analizando estos dos conceptos, su relación se basa principalmente, en que el objeto de estudio de estas dos se basa en el estudio de fluidos en estado inamovible; y por otro lado, los estados dinámicos del mismo.

En relación con los organismos vivos, sus adaptaciones morfológicas y fisiológicas deben mantener principios que involucran en materia a la hidrodinámica y a la hidrostática, pues en muchos ejemplos como la presión en las aguas marinas y la vida que alberga allí, hace que estos individuos mantengan estructuras que le favorezcan para poder sobrevivir. De igual manera ocurre fisiológicamente en muchos ecosistemas a nivel fisiológico y morfológico.

Palabras clave: Hidrostática, Hidrodinámica, Dinámica de fluidos, adaptaciones en los seres vivos.

Abstract

The term refers to the study hydrostatic fluid at rest. Fluids are idealized continuous mass mind substances which can easily change its shape by runoff due to the action of small forces. Furthermore, the hydrodynamics is the part of physics that studies the movement of fluids. This movement is defined by a vector field corresponding to different point’s speeds. Contemplating and analyzing these concepts, their relationship are based mainly on the subject matter of these two is based on the study of fluids in immovable state; and second, the dynamic states thereof.

In relation to living organisms, their morphological and physiological adaptations that involve principles should be kept in the hydrodynamic and hydrostatic, because in many instances as the pressure in the sea water and the life within it there, makes these individuals maintain structures encourage you to survive. The same happens physiologically in many ecosystems at physiological and morphological level.

Keywords: Hydrodynamic, Hydrostatic, Fluid dynamics, Adaptations in living things.

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de investigación nos muestra diferentes conceptos relacionados con la Hidrostática e Hidrodinámica que en su determinado momento utilizaremos en el curso de Instalaciones I, de dicho trabajo podemos resaltar a la Mecánica de fluidos, que es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que trata de los fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. 

Por otro lado, se da la relación aplicada en con los organismos vivos y sus relaciones ecológicas; tales como sus adaptaciones morfológicas y fisiológicas dadas en los principios que involucran en materia a la hidrodinámica y a la hidrostática, pues en muchos ejemplos como la presión en las aguas marinas y la vida que alberga allí, hace que estos individuos mantengan estructuras que le favorezcan para poder sobrevivir. De igual manera ocurre fisiológicamente en muchos ecosistemas a nivel fisiológico y morfológico, como por ejemplo el fluido vascular en vertebrados; o simplemente, las estructuras ex esqueléticas en los insectos.

CARACTERÍSTICAS DE LOS LÍQUIDOS

Viscosidad

La viscosidad es la oposición de un flujo a las deformaciones tangenciales, es debida a las fuerzas de cohesión moleculares. Todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante para ciertas aplicaciones. Un luido que no tiene viscosidad se llama “fluido ideal”.

En definitiva, la viscosidad es una medida de la resistencia que opone un líquido a fluir.

(Gotario de brea. Experimento más largo del mundo creado por John Mainstone 1927)

Tensión superficial

En física se denomina “tensión superficial” de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido. Este fenómeno se presenta debido a la atracción entre moléculas de un líquido.

(Chinche acuático. Familia: Reduviidae. Este insecto puede caminar sobre el agua gracias a

la tensión superficial del agua)

Cohesión

En principio se debe distinguir qué es un Enlace Químico, siendo éstas las fuerzas que mantienen a los átomos unidos formando las moléculas. Y que existen dos tipos de enlaces químicos, los enlaces covalentes (en donde los átomos comparten dos electrones) y las interacciones débiles no covalentes (interacciones débiles entre iones, moléculas y entre partes de las moléculas).

En síntesis, es la fuerza que mantiene unidas las moléculas de una sustancia.

(Fuerzas de cohesión entre moléculas de agua)

Adherencia

La adherencia es la propiedad de la materia por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando están en contacto y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.

La adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el cemento es un ejemplo claro.

(Una gota de agua adhiriéndose a una telaraña)

Capilaridad

Es un proceso de los fluidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.

Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

(Principio de capilaridad. A) efecto capilar de agua; B) efecto capilar del mercurio)

Concepto de Hidrostática

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica que estudia los fluidos en estado líquido; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de “Pascal” y el principio de “Arquímedes”.

Concepto formal de Fuerza y Presión

La presión (P) se relaciona intrincadamente con la fuerza (F) y el área o superficie (A) de la siguiente forma:

P= F/A

Ecuación básica de la hidrostática

P= P0 + p.g.h

P: presión

Po: presión superficial.

ρ: densidad del fluido

g: intensidad gravitatoria de la Tierra

h: altura neta

Principio de Pascal

El principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: «el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo».

Es decir, que si se aplica presión a un líquido no comprimible en un recipiente cerrado, esta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de fenómeno se puede apreciar, por ejemplo, en la prensa hidráulica o en el gato hidráulico; ambos dispositivos se basan en este principio. La condición de que el recipiente sea indeformable es necesaria para que los cambios en la presión no actúen deformando las paredes del mismo en lugar de transmitirse a todos los puntos del líquido.

(Explicación del principio de Pascal a través del gato hidráulico)

Con lo que las fuerzas serán, siendo, S1 < S2:

Por tanto, la relación entre la fuerza resultante en el émbolo grande cuando se aplica una fuerza menor en el émbolo pequeño será tanto mayor cuanto mayor sea la relación entre las secciones:

En este sentido, siempre el principio de las fuerzas hay una clara igualdad, pues los líquidos no varían su densidad; y por tanto, la única forma de ejercer mayor fuerza depende directamente del diámetro de las secciones de los émbolos.

Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo sólido que se encuentre sumergido total o parcialmente en un fluido será empujado en dirección ascendente por una fuerza igual al peso del volumen del líquido desplazado por el cuerpo sólido. El objeto no necesariamente ha de estar completamente sumergido en dicho fluido, ya que si el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del

objeto, éste flotará y estará sumergido sólo parcialmente.

El principio de Arquímedes se fórmala de la siguiente manera:

Donde:

E= Empuje.

m= masa.

g= aceleración de la gravedad.

ρf= densidad del fluido.

V= volumen del fluido desplazado.

En síntesis el desplazamiento del fluido va a depender directamente de la densidad del objeto que es introducido y de las condiciones de gravedad en el medio (presión atmosférica).

HIDRODINÁMICA

 La hidrodinámica, estudia los fluidos en movimiento, este movimiento está definido por un campo vectorial de velocidades correspondientes a las partículas del fluido y de un campo escalar de presiones, correspondientes a los distintos puntos del mismo y que está regido por el PRINCIPIO DE BERNOULLI.

La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

1. Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.

2. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.

3. Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

Ecuaciones fundamentales de la hidrodinámica

Principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un flujo laminar moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la energía en los líquidos en movimiento. Establece que en un líquido incompresible y no viscoso, la suma de la presión hidrostática, la energía cinética por unidad de volumen y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen, es constante a lo largo de todo el circuito. Es decir, que dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de puntos del circuito. Su expresión matemática es:

La ecuación de Bernoulli explica en otras palabras la conservación de la energía. Es decir la energía que posee cada punto de un fluido en un movimiento. Esto puede manifestarse de la siguiente manera:

Energía potencial= Ep = m × g × h siendo h=z (cota).

Energía de presión=

Energía cinética (debido a su velocidad)=

Teniendo en cuenta estos tres aspectos que se anunciarán permite comprender como los flujos de agua experimentan modificaciones por intercambio de unos valores con otros, pero siempre debe mantenerse la suma:

(Transformación de la energía en cuanto a su posición)

En esta figura los puntos uno y dos poseen la misma presión, es decir la atmosfera, por lo que se estaría presentando una transformación de la energía cinética de posición.

(Diferencias entre las secciones de v1 y v2)

En esta figura, los dos puntos poseen la misma cota, pero v2 es mayor que v1 al ser mayor la sección respectiva.

(Variación de la transformación de la energía cinética de presión)

En este ultimo saco, se produce una última variación en la transformación de la energía cinética de presión. En este último caso, no se produce una variación en la velocidad al ser la

sección de la tubería constante, por lo que el aumento de la energía de posición se debe realizar a costa de la energía de presión, ya sean presión devenida de la acción acelerada de la gravedad o por presiones mecánicas.

Concepto de pérdida de carga

La Ecuación de Bernouilli puede considerarse válida sólo para líquidos no viscosos o para dos puntos muy próximos, ya que en la realidad, aunque las transformaciones se realizan de la forma indicada, las expresiones no son del todo exactas. En efecto, un principio elemental de la física establece que en toda transformación energética existe una degradación, es decir, los rozamientos convierten en calor parte de la energía transformada, por lo que el miembro de la derecha (si la transformación se efectúa de izquierda a derecha) se verá disminuido.

Las pérdidas de cargas sólo pueden ser de dos tipos:

1. Pérdidas de carga continuas o por rozamiento (hC): Se deben a la viscosidad del líquido y se producen a lo largo de toda la conducción. Suelen expresarse como producto de la pérdida de carga unitaria (J) y la longitud del tramo considerado (L). La representación gráfica de hC en función de la longitud L sería una recta de pendiente J.

hC= J × L

La perdida de carga por unidad de longitud depende de la rugosidad de la tubería, de su diámetro, de caudal que circula por ella y de su velocidad.

2. Pérdidas de carga locales, accidentales o singulares (hS): Están producidas por perturbaciones de la corriente líquida en puntos concretos, como derivaciones, válvulas, cambios de sección, etc.

La pérdida de carga total en una conducción será la suma de las dos:

hT= hC+hS

Teorema de Torricelli

Es una aplicación de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida e un liquido por un orificio. “la velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio”

(Velocidad de un líquido en un recipiente con un orificio)

Ley de Poiseuille

Es la ley que permite determinar el flujo laminar estacionario ΦV de un líquido incomprensible y uniformemente viscoso (también denominado fluido newtoniano) a través de un tubo cilíndrico de sección circular constante. Esta ecuación fue derivada experimentalmente en 1838, formulada y publicada en 1840 y 1846 por Jean Luis Marie Poiseuille (1797-1869).

(Flujo laminar estacionario)

Fluidos

 Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas hay una fuerza de atracción débil. Los fluidos se caracterizan por cambiar de forma sin que existan fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma “original” (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable). Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí, por fuerzas cohesivas débiles y/o las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propios. Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).

(Diferenciación de fluidos acorde a su viscosidad)

Tensión superficial

Se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero, desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.

Mecánica de fluidos

 La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos, rama de la física que a su vez, que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo.

(Fluido viscoso)

(Fluido no-viscoso)

Flujo turbulento

En mecánica de fluidos se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido que se da en forma caótica en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, (no coordinados) como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente caótica.

(Flujo turbulento. A) Flujo laminar tradicional; B) Flujo con variantes oscilatorias; C) Flujo

oscilatorio con precipitaciones; D) Flujo turbulento caótico).

Flujo Laminar

Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido. Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando éste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular. Se puede presentar en las duchas eléctricas vemos que tienen líneas paralelas.

(Flujo laminar)

Fluidos hidrodinámicos en el Sistema Cardiovascular humano

El sistema cardiovascular humano (y en general mamífero) es un circuito muy simple. Consta de dos bombas fusionadas en un solo corazón (evolutivamente fue una sola bomba que progresivamente se dividió en dos), que impulsan la sangre por un circuito cerrado, de esta manera:

El ventrículo del corazón izquierdo (CI) expulsa la sangre oxigenada por la arteria aorta y se reparte a todos los órganos y tejidos del cuerpo a través del sistema arterial. En los lechos capilares la sangre hace su trabajo de intercambio de nutrientes y desechos y regresa por el sistema venoso, o sistema de retorno venoso.

La vena cava deposita la sangre en la aurícula del corazón derecho (CD); el ventrículo del mismo lado la impulsa hasta el pulmón (Pul) -

ahí nomás- donde se oxigena, y retorna al corazón izquierdo, cerrando el ciclo. Dependiendo del camino tomado, una vuelta completa puede tardar entre 10 y 60 segundos.

(Sistema hidrodinámico vascular)

Esquema del sistema cardiovascular representado físicamente

El círculo representa al corazón, o sea, la bomba que provee la diferencia de presión, ΔP, necesaria para hacer circular la sangre.

Esa diferencia de presión es igual a la que disipa el circuito debido a su resistencia hidrodinámica, acá representada como una única resistencia que recibe el nombre de resistencia periférica total (RPT).

En humanos ΔP= 100 mmHG y RPT= 1,6.108 Pa.s/m3

(En humanos ΔP= 100 mmHG y RPT= 1,6.108 Pa.s/m3)

En este esquema, un poco más detallado que el anterior, las resistencias R1 a R3 pueden representar la resistencia de los órganos, la piel y los músculos, respectivamente.

Cualquier otro tejido que se quiera agregar al esquema consistirá en una resistencia más en paralelo.

Las resistencias hidrodinámicas no tienen valores fijos y el organismo los va variando según las necesidades del momento. Por ejemplo si hay que salir corriendo o prepararse para la lucha, el sistema nervioso central autónomo (SNCA) cerrará las compuertas del suministro de sangre a la piel y abrirá al máximo el suministro a los músculos esqueléticos.

(Diferencia de presión (ΔP) y resistencias (R1-R3 representa los órganos, piel y músculos))

CONCLUSIONES

Se observaron los conceptos fundamentales sobre hidrostática e hidrodinámica. Observando claro está, sus diferencias particulares y epistemológicas en la construcción de estas disciplinas.

Por otra parte, se analizaron los conceptos interrelacionándolos con la “biofísica” denotando en contextos específicos sus aplicaciones en situaciones concretas. Esto permite que el lector reconozca que los

organismos vivientes están inmersos en los objetos de estudio de la Física.

Finalmente, se dieron a conocer el dinamismo de los líquidos dentro de una gran variedad de sistemas tanto abiertos como cerrados. Para ello, involucramos de nuevo el aspecto biológico (sistema vascular en humanos) y haciendo posteriormente una correlación con la teorización Física.

INFOGRAFÍA CONSULTADA

N.N. (2012). Conceptos Básicos sobre hidrostática e Hidrodinámica. Recuperado de http://akristel5.blogspot.com/

ALEJANDO; & KEVIN. (2001). Hidrostática e Hidrodinámica. Recuperado de http://villamorhidrostaticaehdridinamica10-2.blogspot.com/

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