INSTITUTO INTEGRADO DE COMERCIO – BARBOSA, SANTANDER GUÍAS DE TRABAJO ACADÉMICO
Emergencia sanitaria COVID 19 - 4° PERIODO 2021
ASIGNATURA: FISICA GRADO: 10°
Docentes:
Jornada mañana, 10-1, 10-2, 10-3, 10-4: Mireya Avendaño H. Tel: 3112730851 Jornada tarde, 10-1, 10-2 : Dario Alejandro Huertas Angulo. Tel: 3212805307
META DE COMPRENSIÓN 1:
“Identificar conceptos fundamentales como fluidos, características de los líquidos y presión”
DESEMPEÑO DE COMPRENSIÓN:
“Define los conceptos de densidad, presión en sólidos, presión hidrostática y presión atmosférica”
EXPLORACIÓN: Te has preguntado por qué hace más calor en las ciudades de la costa como Barranquilla y Cartagena y más frío en ciudades como Bogotá y Tunja?
ESTRUCTURACIÓN Y PRÁCTICA:
FLUIDO: Es todo cuerpo que puede desplazarse y cambiar de forma bajo la acción de pequeñas fuerzas. En los fluidos se incluyen los líquidos y los gases
Líquidos: Se caracterizan porque son incompresibles (no se dejan comprimir), es decir, su volumen no cambia bajo la acción de fuerzas, pero adoptan la forma del recipiente que los contiene
Gases: Los gases si se pueden comprimir, por lo tanto, adoptan el volumen y la forma del recipiente que los contiene
CONCEPTO DE DENSIDAD:
La densidad de un cuerpo o sustancia es la masa por unidad de volumen, se define así:
𝒅 =
𝐦𝐚𝐬𝐚𝐯𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞𝐧 , en ecuación :
𝒅 =
𝒎𝒗 Unidades: Se mide en 𝒈
𝒄𝒎𝟑 o en 𝐤𝐠 𝐦𝟑
Si tenemos dos sustancias que ocupan el mismo volumen, pero una tiene mayor masa (por lo tanto, más pesada), la de mayor masa es más densa que la de menor masa Tabla de densidad para algunas sustancias
Sustancia Hierro Aluminio Cobre Oro Plat a
Plomo Agua Hielo Mercurio Densidad
(g/cm3)
7.8 2.7 8.9 19.5 10.5 11.3 1 0.92 13.6
Nota: Las sustancias más densas flotan sobre las sustancias líquidas de menor densidad, por ejemplo:
1. La madera flota en agua, entonces la madera es menos densa que el agua.
2. Un trozo de hierro se hunde en el agua, entonces el hierro es más denso que el agua Ejemplo 1: Hallar la densidad de una sustancia, si 250 g ocupan un volumen de 35 cm3.
Solución: Aplicamos la ecuación,
𝑑 =
𝑚𝑣
reemplazamos: 𝑑 = 250 𝑔
30 𝑐𝑚3 , d = 8.33 𝑔 𝑐𝑚3
Ejemplo 2. ¿Qué masa tiene un pedazo de hierro de 50 cm3 de volumen?
Solución: de la ecuación,
𝑑 =
𝑚𝑣 , despejamos la masa y en la tabla buscamos la densidad del hierro para reemplazar los datos: m = d.v, m = (7.8 g
cm3 ) (50 cm3) Efectuando la operación y simplificando unidades: m = 390 g, es la respuesta
ACTIVIDAD 1:
1. En su cuaderno de física escriba un resumen de los conceptos del tema anterior, así como el desarrollo completo de los ejemplos
2. Responder:
c. ¿Qué significa que un cubo de hielo flote sobre agua?
d. ¿Dónde se hunde más un barco, en el mar (d agua de mar = 1.04 g
cm3 ) o en un río (d agua de río = 1 g
cm3 )?
e. ¿Por qué un pedazo de hierro se hunde dentro de un vaso de agua?
3. Con ayuda de la tabla de densidades, resuelva los siguientes problemas:
a. ¿Cuál es el volumen ocupado por 300 gramos de hierro?
b. ¿Cuál es la masa de 100 cm3 de cobre?
CONCEPTO DE PRESIÓN:
Magnitud que resulta de aplicar una fuerza en forma perpendicular sobre un área. Se define así
𝑃 =
𝐹𝐴
,
Presión = Fuerza AreaUnidades: Newtonm2 , mN2 , se llama Pascal (Pa) o dina
cm2
,
dcm2
(se Llama baria)
En sólidos se aplica directamente la ecuación :
𝑃 =
𝐹𝐴 , como vemos, la presión es inversamente proporcional al área donde se ejerce la fuerza, es decir, a mayor área menor presión y viceversa. En los fluidos esta ecuación se modifica, como se verá más adelante. Veamos un ejemplo de presión en sólidos:
Ejemplo: Una persona tiene una masa de 60 kg, y se para sobre una baldosa de 0.25 m2 de área. ¿Qué presión ejerce la persona sobre la baldosa? Solución:
Los datos para aplicar la ecuación de presión son:
Fuerza (F) = Peso de la persona; masa x gravedad (mg) = 60 kg x 10 m/s2 = 600 N
Area (A) = 0.25 m2 Aplicamos la ecuación:
𝑃 =
𝐹𝐴
,
P = 600N / 0.25 m2 = 2400 N/m2(El valor de la gravedad se aproxima a 10 m/s2 )
PRESION HIDROSTATICA (ph):
Es la presión ejercida por un líquido en reposo (estático) debido a su propio peso. La presión hidrostática en un punto del líquido depende de la profundidad o altura de la columna de líquido (h), de la densidad del líquido (d) y de la gravedad (g). Así:
Ph = dgh , Ph = Densidad x gravedad x altura. Las unidades son las mismas de presión Ejemplo 1: Un tanque está lleno de gasolina (d= 0.7 g/cm3). Calcular la presión
hidrostática a 20 cm de profundidad. Solución: (debemos pasar la gravedad a cm/s2)
Datos; d = 0.7 g/ cm3 , g = 10 m/s2 = 1000 cm/s2 , h = 20 cm.
Aplicamos la ecuación: Ph = dgh , reemplazando, efectuando operaciones y simplificando unidades:
Ph = (0.7 g
cm3 )(1000 cm
s2) (20 cm) = 14000 d/cm2
PRESION ATMOSFÉRICA:
La atmósfera es la capa de aire que nos rodea.
La presión que ejerce esta capa de aire, debido a su peso, sobre todos los cuerpos que se encuentren en la tierra, es lo que se llama presión atmosférica.
La presión atmosférica es más fuerte en los sitios de menor altitud, siendo la más alta a nivel del mar, en la costa, mientras que en los sitios de mayor altitud como Bogotá, Tunja etc. La presión atmosférica es menor.
Como consecuencia de una mayor presión atmosférica, ciudades costeras (a nivel del mar) como Barranquilla, Cartagena, Santa Marta, experimentan temperaturas elevadas, ya que mayor presión atmosférica indica mayor densidad del aire (más moléculas por cm3) que son calentadas por el sol, lo que hace subir la temperatura. Lo contrario sucede en ciudades de mayor altitud como Bogotá donde la presión atmosférica es menor debido a la menor densidad de aire menos volumen de aire, para ser calentado por el sol y en consecuencia la temperatura es menor.
El valor de la presión atmosférica a nivel del mar se utiliza como unidad de presión y se denomina “atmósfera” (atm).
La presión de 1 atmósfera equivale aproximadamente a una presión de 10 N/cm2, es decir que cada cm2 de superficie soporta una fuerza de 10 N (recuerde que 10N de fuerza es el peso que ha resultado de multiplicar 1 kg de masa por la gravedad).
Medida de la presión atmosférica: El valor de la presión atmosférica fue determinado por primera vez por el italiano Evangelista Torricelli en 1643 quien ideó su famoso
“experimento de Torricelli”, a nivel del mar, de la siguiente manera:
Tomó un tubo de vidrio cerrado por un extremo y abierto por el otro, lo llenó de mercurio (Hg) y lo volteó sin destaparlo, dentro de una cubeta que también contenía Hg, para que se desocupara, pero lo que observó fue que no se desocupó completamente, sino que el mercurio dentro del tubo tenía una altura de 76 cm. Esta misma altura se mantenía aún cambiando el diámetro del tubo.
Concluyó que la presión atmosférica ejercida sobre el Hg de la cubeta hacía subir por el tubo el mercurio hasta los 76 cm. Por lo tanto, se equilibraba el valor de la presión
atmosférica, con el valor de la presión hidrostática ejercida por la columna de mercurio (metal líquido), por lo que al medir esta presión hidrostática se obtenía también el valor de la presión atmosférica. Al sistema se le llamó “barómetro de Torricelli” (ver fig. arriba)
Recuerde que la presión hidrostática es igual a: d.g.h en este caso, la densidad del Hg (13.6 g/cm3 = 13600 kg/m3) y la altura de 76 cm que equivale a 0,76 m. Por lo tanto:
Patm = dhg . g . h Es decir: Patm = (13600 Kg/m3)(9.8 m/s2)(0,76 m)= 101325 N/m2 Al pasar m2 a cm2 se obtiene aproximadamente 10 N/cm2 = 1 atm . Recuerde que esta presión es a nivel del mar
Ejemplo: Calcular la presión atmosférica en una ciudad donde la columna de mercurio alcanza una altura de 58 cm
Datos: dhg = 13.6 g/cm3 (13600 kg/m3) , altura (h) = 58 cm (0,58 m): Patm = dhg .g .h.
Patm = (13600 Kg/m3)(9.8 m/s2)(0,58 m) = 77302.4 N
m2 ≈ 7.73 N
cm2 = 0.77 atm, si tenemos en cuenta que una atmósfera son 10 N/cm2
ACTIVIDAD 2:
1. En su cuaderno de física escriba un resumen de los conceptos del tema anterior, así como el desarrollo completo de los ejemplos
2. Responder:
a. ¿Por qué es más fácil clavar una puntilla delgada, que una puntilla de punta gruesa?
b. Para que un cuchillo corte más, se le saca filo, ¿Por qué? ¿Qué relación tiene con el concepto físico de presión?
c. ¿Por qué los deportistas barranquilleros rinden menos en una ciudad como La paz Bolivia que se encuentra a una altura mucho mayor que Barranquilla?
d. ¿Por qué los deportistas que suben al monte Everest deben llevar un tanque de oxígeno?
3. Resolver los siguientes problemas:
b. Un submarino se hunde 40 m bajo el nivel del mar. Calcula la presión hidrostática a esta profundidad. (d = 1.03 g/cm3 )
c. Si se reemplaza en el barómetro de Torricelli el mercurio por alcohol con densidad de 0.8 g / cm3, ¿Cuál será la altura del agua, también a nivel del mar? (Recuerde que a nivel del mar: Patm = 77302,4 N
m2)
d. Cuál es el valor de la presión atmosférica en una ciudad donde la columna de hg alcanza 65 cm?
ACTIVIDAD 3
I. Contesta las siguientes preguntas:
1. ¿Qué es la hidrostática?
2. ¿Qué es un fluido?
3. ¿Por qué el aire y el agua son fluidos ideales?
4. ¿Qué es presión?
5. Escriba la fórmula para calcular la presión 6. ¿para que se afilan los cuchillos?
7. ¿Por qué las bases de los edificios deben ser anchas?
8. ¿Cuál es la unidad de presión en el sistema internacional? ¿Cuál es su símbolo?
9. ¿Cuál es la unidad de presión en el sistema inglés?
10. ¿En qué unidades se mide la presión atmosférica?
11. ¿Qué instrumentos se utilizan para medir la presión?
12. ¿Cómo se llama el instrumento utilizado para medir la presión sanguínea?
13. Escriba la equivalencia de las diferentes unidades de presión en relación al pascal 14. Copie la siguiente tabla
La presión se halla dividiendo la fuerza entre el área
El área se calcula dividiendo la fuerza entre la presión
La fuerza se obtiene multiplicando presión por área
II. Realice los siguientes ejercicios con base en las fórmulas de la tabla anterior
15. Calcule la presión ejercida por un objeto cuyo peso es 40 newton si su área base es de 10 metros cuadrados
16. Calcule la fuerza de un objeto cuya área base es de 12.5m2 si ejerce una presión de 200Pa
17. ¿Cuál será el área base de un objeto si su peso es 1200N y ejerce una presión de 25000 Pa?
TRANSFERENCIA Y VALORACIÓN (EVALUACIÓN)
Desarrolle las actividades propuestas en la meta de comprensión anterior
META DE COMPRENSION 2:
“Analizar el comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento”
DESEMPEÑO DE COMPRENSIÓN:
1. Identifica las principales aplicaciones de los principios de Pascal y de Arquímedes 2. Aplica la ecuación de continuidad en solución de problemas
3. Identifica algunas aplicaciones del principio de Bernoulli
EXPLORACIÓN: Todos hemos visto grandes máquinas como grúas, retroexcavadoras, etc. capaces de levantar objetos inmensamente pesados, te has preguntado ¿cómo hacen para desarrollar tanta fuerza?
ESTRUCTURACIÓN Y PRÁCTICA:
Fluidos en reposo: Los líquidos en reposo tienen propiedades y principios especiales que son estudiadas por la “hidrostática”
El PRINCIPIO DE PASCAL:
Las máquinas hidráulicas están provistas de cilindros que contienen fluidos para desarrollar grandes fuerzas, basándose en un principio que descubrió el científico francés Blaise Pascal (1623-1662) que lleva su nombre y se resume así:
Principio de Pascal: “La presión aplicada a un fluido encerrado se transmite con la misma magnitud a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene”
La aplicación de este principio la observamos en el esquema de la figura, en mecanismos como gatos hidráulicos, frenos hidráulicos, direcciones
hidráulicas, prensas hidráulicas y todo tipo de maquinaria hidráulica
Al ejercer la fuerza F1 sobre el área A1 , se produce una presión P1 que según el principio de Pascal, se transmite a cada punto del fluido, por lo que en el cilindro A2 se tiene esta misma presión cada punto. Es decir:
P1 = P2 . Aplicando la definición de presión tenemos:
F1
A1 = F2
A2
Por lo tanto al despejar la F2 tenemos: F2 = F1
A1
.
A2 Es decir, el área del cilindro mayor se convierte en un factor de multiplicación para la fuerzaEjemplo: Los cilindros de una prensa hidráulica tienen en los pistones áreas de 250 cm2 y 5 cm2 respectivamente, si por el émbolo de menor área se aplica una fuerza (F1) de 10 N,
¿qué fuerza (F2) ejerce el émbolo mayor? (ver fig.)
Solución Aplicando el principio de Pascal y despejando F2 tenemos:
F1
A1 = F2
A2
,
F2 = F1A1
.
A2 : Reemplazando datos: F2 = 10 N5 cm2
(250 cm2) Obtenemos: F2 = 500 N Vemos que la fuerza se multiplica 50 veces
PRINCIPIO DE ARQUIMEDES
Este principio dice: “Al sumergir total o parcialmente un cuerpo en un fluido, el cuerpo experimenta una fuerza hacia arriba ejercida por el fluido, llamada Empuje y de magnitud igual al peso del fluido desplazado”
El empuje se calcula con la siguiente expresión: E = df v g donde:
E = Empuje,
df = densidad del fluido
v = volumen del agua desplazada, que es igual al volumen del cuerpo o parte del cuerpo sumergida según el caso
g = gravedad
Con el principio de Arquímedes se puede calcular el volumen de un cuerpo irregular al sumergirlo en un fluido, ya que es el mismo volumen del líquido desplazado, también se puede calcular la densidad de un cuerpo o sustancia al sumergirlo en un fluido de densidad conocida, entre otras aplicaciones
Para el empuje se presentan 3 casos:
1. Que el peso del cuerpo sea mayor que el empuje, entonces el cuerpo se hunde
2. Que el empuje sea mayor que el peso del cuerpo, entonces el cuerpo no se introduce
3. Que el peso del cuerpo y el empuje sean iguales, entonces el cuerpo flota con una parte sumergida y otra parte por fuera del líquido
Ejemplo 1: Un bloque de hierro (densidad = 7,8 g/cm3) de 50 cm3 de volumen se sumerge en agua (densidad = 1 g/cm3). Calcular:
a. El empuje que experimenta el bloque b. La masa del bloque
c. El peso del bloque en el aire d. El peso del bloque dentro del agua Solución: df = 1 g/cm3, v = 50 cm3 g = 986 cm/s2 (gravedad en cm)
a. Aplicamos: E = df v g : E = (1 g/cm3 ) (50 cm3) (986 cm/s2), E = 49300 dinas de fuerza b. Masa del bloque: utilizamos la ecuación de densidad : d = m/v y despejamos m m = d.v, m = (7,8 g/cm3) (50 cm3), m= 390 gramos
c. El peso del bloque en el aire: P = mg: P = 390g x 986 cm/s2 = 384540 dinas
d. El peso del bloque dentro del agua: Como el empuje es una fuerza hacia arriba, ésta se le resta al peso normal del bloque, haciéndolo más liviano, así:
P (en agua) = P(en aire) - Empuje: P(en agua) = 384540 d – 49300 d = 335240 d
ACTIVIDAD 4:
I. Responder:
1. ¿En las máquinas retro excavadoras está aplicado el principio de Pascal. Explique de qué manera está aplicado y cómo funciona?
2. ¿Por qué pesa más un cuerpo cuando está fuera del agua que cuando está dentro de ella? ¿Cuál es el principio físico que se cumple ahí?
3. Consulte y exponga sobre el principio de flotación de los barcos
4. Nombre dos aplicaciones del principio de Pascal y dos del principio de Arquímedes II. Resuelva los siguientes problemas:
1. En una prensa hidráulica los émbolos de los cilindros tienen áreas de 5 cm2 y 15 cm2 respectivamente. Si sobre el émbolo de menor área se ejerce una fuerza de 3 N;
calcular la fuerza que se obtiene en el émbolo de mayor área (Hacer dibujo) 2. Un bloque de hierro de 50 cm3 de volumen se sumerge en agua; calcular:
a. El empuje experimenta el bloque
b. El volumen del agua desplazada por el bloque c. El peso del agua desplazada
3. En la siguiente sopa de letras se encuentran 15 conceptos y nombres relacionados con el tema de fluidos. Encuéntralos y busca su significado
FLUIDOS EN MOVIMIENTO
Los fluidos en movimiento tienen un comportamiento especial, el cual es estudiado por la
“hidrodinámica”. La trayectoria descrita por un elemento de fluido en movimiento se llama línea de flujo
Flujo laminar: Tipo de movimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse.
Flujo turbulento: cuando se hace más irregular, caótico e impredecible, las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos
Caudal (C) o gasto (Q):
La cantidad de fluido que pasa por una zona del tubo puede definirse por el producto del área de la sección del tubo por la velocidad del fluido en esa zona. A este producto se le conoce como caudal o gasto, así:
Caudal = A.V. Donde: A = área de sección del tubo. V = velocidad del fluido que pasa Las unidades del caudal son:
C = m2. m/seg, es decir, m3/ seg.
También se acostumbra a medir en: litros/ segundos (Recuerde que 1 m3 = 1000 litros)
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD:
Al pasar un líquido no compresibles (No se pueden comprimir) a través de un tubo de diferentes diámetros, se cumple la ecuación de continuidad, que establece que el caudal es constante a lo largo de todo el circuito hidráulico.
G = A1v1 = A2v2, en cualquier parte del tubo el caudal es constante Ejemplo 1:
En la conocida manguera de jardín, cuando el agua sale normalmente el chorro tiene un cierto alcance, pero si se pone el dedo en la salida de la manguera, disminuyendo el orificio de salida, el alcance del chorro es mayor. Aquí se cumple la ecuación de continuidad, ya que, al disminuir el área de la boquilla de salida, la velocidad del chorro aumenta para que el producto área por velocidad se mantenga constante.
Ejemplo 2: Se tiene una tubería de sección transversal variable a través de la cual fluye agua. En determinado punto, el área de la sección transversal es 0.070 m2 y la rapidez o velocidad del agua es 3.50 m/s. Calcular:
a) La velocidad del agua en otro punto de la tubería cuya área de sección transversal es 0.105 m2.
b) El volumen de agua que se descarga por un extremo abierto en 1 hora.
Solución:
a) Se emplea la ecuación de continuidad, igualando el caudal del primer punto con el caudal del segundo. El caudal es:
Q = A ∙ v. Por continuidad: Q1 = Q2 , A1 ∙ v1 = A2 ∙ v2 Ahora sustituyen los datos suministrados por el enunciado:
A1 = 0.070 m2 v1 = 3.50 m/s A2 = 0.105 m2 v2 =?
V2 = A1 V1 / A2 Reemplazando datos:
V2 = (0.070 m2)(3.50 m/s)/0.105 m2 V2 = 2.33 m/s
b) Para calcular el volumen por hora, calculamos el caudal o gasto, que es igual en cualquier punto, por ejemplo en el área 1:
C = A1 V1 = (0.070 m2)(3.50 m/s) = 0.245 m3/ seg
El volumen de agua que pasa en un segundo es 0.245 m3
Para saber cuánto pasa en una hora, multiplicamos por 3600, ya que 1 hora tiene 3600 segundos, y tenemos que el volumen de agua se descarga en una hora por un extremo es: 882 m3
ACTIVIDA 5:
1. Contestar:
a. ¿En qué se diferencia la hidrostática de la hidrodinámica?
b. ¿Qué es un fluido laminar?
c. ¿Qué es un fluido turbulento?
d. Explicar con sus propias palabras el significado de la ecuación de continuidad 2. Resuelva los siguientes problemas:
a. Por una tubería de 10 cm2 de área de sección transversal circula agua con una velocidad de 15 m / seg. Si la tubería presenta una parte angosta en la cual la velocidad del agua es de 25 m/s, ¿Cuál es el área de sección transversal de esta parte angosta?
b. El corazón de una persona adulta bombea aproximadamente 4 litros por minuto. Si la sección transversal de la arteria es de 1.5 cm2, Cuál es la velocidad de la sangre en esta arteria?
EL PRINCIPIO DE BERNOULLI:
El principio de Bernoulli relaciona la velocidad del fluído con la presión que éste ejerce.
En este principio aplicado al flujo de aire (también es un fluido), se basa el vuelo de aves y aviones
La ley establece que cuando se aumenta la velocidad del fluido, la presión que éste ejerce disminuye; por el contrario, si la velocidad disminuye, la presión aumenta.
PRINCIPIO DE TORRICELLI:
Su postulado también menciona que la velocidad con que fluye un líquido a través del agujero de un recipiente, es comparable con la velocidad a la que cae un cuerpo lanzado al vacío cuando se encuentra a la misma altura del líquido hasta el centro de gravedad del orificio. Pero para lograr comprobar la velocidad de flujo del fluido, se formula la siguiente ecuación:
vs = 2gh (ecuación de caída libre para vi = 0
Vs = velocidad teórica del líquido a la salida por el agujero en el recipiente
h = altura a la que se encuentra el orificio g = aceleración de la gravedad
¿Cuál es la velocidad de salida de un fluido que se encuentra
contenido en un recipiente de 2.45 m de altura y al cual se le hace un orificio a 60 cm arriba de su base?
Solución:
Lo primero que haremos será colocar nuestros datos, pero debemos de tener en cuenta que el orificio realmente se encuentra a 2.45 m - 0.6 m = 1.85 m . Entonces, colocamos:
g = 9.8 m/s² h = 2.45m - 0.6m = 1.85m v = ? v = √(2)(9.8𝑚/𝑠2)(1.85𝑚) Obtenemos un valor de velocidad de 6.02 m/s
ACTIVIDAD 6:
1. Con sus propias palabras haga una descripción de:
a. El principio de Bernoulli b. El principio de Torricelli
c. Consulta: Mencione 3 situaciones de la vida cotidiana donde se vea reflejado el principio de Bernoulli
TRANSFERENCIA Y VALORACIÓN (EVALUACIÓN)
Desarrolle las actividades propuestas en la meta de comprensión 2
