PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

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Después llenó de agua hasta el borde un vaso amplio. En él puso la masa de plata, y tanta cantidad de ella como entró en el agua, tanta cantidad salió del agua, Extraída la masa, llenó el vaso hasta nivelarlo al borde, midiendo el agua con un sextario. De este modo, encontró cuánta agua correspondía a cierto peso de plata. Una vez sabido esto, puso igualmente la masa de oro en un vaso y, después de quitarla, añadió por el mismo motivo el agua que faltaba, encontrado que no era la misma de antes, sino menos, y la cantidad de menos era el exceso de una masa de plata, con el mismo peso, sobre una masa de oro.

Después de llenar de nuevo el vaso, puso en el agua al corona misma, y encontró que correspondía más agua a la corona que a la masa de oro del mismo peso; reflexionando, pues, sobre el hecho de haber más agua para al corona que para la masa, halló que había mezclado de plata en el oro, y puso en el claro el hurto del contratista.

Vitruvio, sobre la arquitectura, siglo I d.C

CONCEPTO DE VACÍO

Una idea a la que se opone mucha resistencia por parte de quienes se inician en el estudio

de la física es la del vacío. Al igual que los griegos no aceptaban la posibilidad de que en la naturaleza existieran zonas en que no hubiera nada de materia, los estudiantes tienden a rechazar esta noción que es fundamental para entender todos los conceptos de la física moderna.

La idea del vacío se puede introducir en ésta parte del curso al discutir la posibilidad de vaciar completamente un recipiente y las con- secuencias de ello. Esta discusión puede vincularse con las aplicaciones del vacío en la industria y en la conservación de los alimentos.

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por unidad de área de capa del fluido, se le conoce como la tensión superficial. El agua, por ejemplo, tiene una tensión superficial de alrededor de 0.073 N/m² (newtons / metro cuadrado).

Algo interesante que se puede discutir con los estudiantes en esta sección son las burbujas de jabón, y también como los jabones reducen la tensión superficial del agua y cómo se utiliza este fenómeno.

EXPERIMENTO

ACTIVIDAD CON BURBUJAS DE JABÓN

Cuando nos bañamos, regularmente utilizamos jabón. El jabón mezclado con el agua forma una solución jabonosa, que también se puede emplear para jugar y hacer burbujas de jabón. Las películas de jabón son muy resistentes y 5 000 veces más delgadas que un pelo común.

En las burbujas de jabón intervienen las denominadas fuerzas de tensión superficial.

Para entender como actúan dichas fuerzas se puede realizar el siguiente experimento. Se debe fabricar con dos alambres flexibles una figura como la que se muestra en la siguiente figura para luego introducirla en agua con jabón.

El alambre corto se debe deslizar libremente sobre el alambre largo. Si se introducen ambos alambres en la solución jabonosa, la película de jabón que se forma será tan resistente que, aunque se ponga verticalmente, el alambre móvil no caerá, pues la fuerza de tensión superficial jala hacia adentro

EXPERIMENTO (CONTINUACION)

de la película de jabón y detiene al alambre.

Posteriormente, se construye con alambre otras figuras geométricas, coma las que se muestran a continuación:

Antes de meterlas en la solución de jabón, el alumno deberá dibujar la figura que cree que se formará. AI introducirlas en ,la solución de jabón, se formarán diferentes configuraciones que tienen la propiedad de ser las que poseen la superficie más pequeña posible necesaria, limitada por cada una de las figuras de alambre. Si no hay alambre, la esfera es la superficie más pequeña posible y, por ésta razón, cuando se hacen burbujas de jabón se forman pequeñas esferitas. Se puede fabricar cualquier figura con alambre e introducirla en agua con jabón pare averiguar qué superficie se forma. En el cuaderno de experimentos o bitácora científica el alumno deberá anotar lo descripción de la figura que se fabricó con el alambre, la superficie que se formó después de introducir la figure de alambre en la solución de jabón, así como dejar asentadas sus observaciones sobre cuál era la figura que esperaba, en contraste con

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la encontrada.

Los experimentos de superficies de jabón permiten que los alumnos vean superficies matemáticas que son difíciles de representar en el pizarrón.

CÓMO HACER BURBUJAS GRANDES E INTRODUCIR UNA EN OTRA

Para hacer burbujas grandes se puede utilizar un embudo de plástico de cocina, o bien, fabricarlo con una lata y un popote, como se muestra en la figura inferior. Se introduce el embudo en agua con jabón y después se forma una burbuja de grandes dimensiones.

Si se introduce el popote en la solución de jabón, y posteriormente se mete el

popote en la burbuja grande, formada con el embudo, se podrá meter una burbuja adentro de otra.

Nota: Para preparar el jabón es recomendable utilizar jabón común pare lavar los trastes (si es posible, jabón líquido). Para que las burbujas duren más, se puede emplear glicerina, en la presentación que se vende en las farmacias. Se puede probar que jabón es el más apropiado y cuáles son las proporciones adecuadas.

MOVIMIENTO DE LOS CUERPOS SÓLIDOS EN LOS FLUIDOS. VISCOSIDAD

Hasta este punto se ha hecho referencia a los fluidos estáticos o en reposo; no se ha hablado de lo que se necesita para poner en movimiento a un fluido, para mantenerlo en movimiento, o para detenerlo.

Si se realizan experimentos con los estudian- tes para observar el paso de diferentes fluidos de un recipiente a otro, notarán que hay dife- rencias de comportamiento, por ejemplo, entre la miel, el aceite y el agua. Esta diferencia se explica en términos de la viscosidad, ya que la miel es más viscosa que el agua. Pero, que es la viscosidad? Para definir la viscosidad, se puede analizar el movimiento del fluido y discutir que, al moverse, una capa del fluido ejerce resistencia al movimiento de otra capa del fluido, paralela y adyacente a ella. A esta fuerza se le llama viscosidad. Las fuerzas de viscosidad son las responsables de que se mantenga el flujo de un fluido a través de un tubo, e intervienen también en el movimiento de un cuerpo a través del fluido.

Entre los efectos interesantes relacionados con el movimiento de los fluidos, está el hecho de que cuando una corriente de fluido se acelera, su presión decrece, y cuando se desacelera, su presión crece. Este principio, que se conoce como principio de Bernoulli, se puede entender más claramente si se piensa en el fluido mientras pasa por un tubo que en cierta sección disminuye su diámetro menor.

Al llegar el fluido a ésta parte del tubo, el volumen que fluye debe ser el mismo por unidad de tiempo; por ello, el fluido debe acelerarse cuando entra a esa porción, y desacelerarse cuando sale. Se puede conducir a los estudiantes a entender este fenómeno

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discutiendo el que, por las leyes del movi- miento, cuando se acelera un objeto, hay una fuerza responsable de ello; en el caso del fluido, la responsable de la aceleración es una diferencia de presión, la cual proporciona la fuerza correspondiente. Es decir, en la porción más delgada del tubo, la presión debe ser menor que en la parte ancha, pues, de no ser así, el fluido no se aceleraría. De igual manera, la presión en la parte delgada debe ser menor que en la gruesa, para que al salir de ella el fluido se desacelere.

De acuerdo con el principio de Bernoulli, hay una caída de presión cuando el fluido gana velocidad. Una consecuencia de esto es que la presión en una corriente de aire en movimiento, es menor que la presión en el aire estático que la rodea, y este efecto puede servir para explicar, por ejemplo, la posibilidad de que vuele un avión.

PROBLEMA

En un arroyo, como el que se "muestra en la figura, la corriente de agua fluye hacia la derecha. ¿Hacia dónde fluye el agua que paso por el otro lado de la roca (el que no está señalado con líneas de flujo) ?

SOLUCIÓN

En este problema debe dejarse a los alumnos plantear sus propias hipótesis. Algunos opinaron que fluye en la misma dirección que la corriente; otros opinaron que fluye en dirección opuesta, algunos más opinaron

incluso que no fluye. Es importante pedir a los estudiantes que justifiquen éstas hipótesis y que intenten demostrarlas utilizando lo que han visto en clases. Mediante preguntas, el profesor puede ir conduciendo a los estudiantes hacia la respuesta correcta.

El arroyo tiene una parte más estrecha que otra. El agua fluye de la parte estrecha hacia la más ancha, y al pasar de una a otra debe disminuir su velocidad. ¿Cómo es que el agua cambia de velocidad? Cuando el agua fluye por un tubo y Paso de una sección angosta a una más ancha, pierde velocidad porque hay un cambio en la presión, pero en el arroyo prácticamente no hay ningún cambio de presión. ¿qué es lo que ocurre entonces? El agua del arroyo disminuye su velocidad fluyendo hacia partes más altos. Entonces,: el agua que pasó por detrás de la roca es agua que le dió la vuelta y fluye de regreso, de la parte baja a la alto, es decir, corre en el sentido contrario a la corriente del río ¿Qué pasaría si el agua del arroyo viajara a una gran velocidad? En ese caso, el agua pasaría por detrás de la roca en el mismo sentido de la corriente, pero a una velocidad menor, porque atrás de la roca se encontrarían dos flujos, parte de la corriente que corre rápidamente hacia la derecha y parte del agua que le da vuelta a la roca y regreso de la parte más baja a .la más alto.

MISCELÁNEA FÍSICA

El VUELOS DE LOS AVIONES

La ecuación de Bernoullí es una aplicación, para los fluidos, del principio de conversación de energía. Si hacemos que fluya agua por un tubo de diámetro diferente, por ejemplo, un embudo colocado horizontalmente, de acuerdo con la ecuación de Bernoulli, el agua

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circulaba mayor velocidad por parte delgada del tubo mientras que la presión en dicha parte es menor ,por el contrario, en la parte ancha la velocidad del fluido es menor, pero la presión debe ser mayor. Todo lo anterior para que la energia se conserve. Una de las aplicaciones de dicha ley es el principio por el cual los aviones se pueden mantener en el aire.

Si hacemos un corte transversal de un ala de avión, cuando éste está en movimiento, en el aire fluye por encima del ala del avión de manera diferente a como fluye en la parte inferior del ala (véase figura).

Esta forma del ala de los aviones se denomina aerodinámica, porque permite que los objetivos en el aire vuelen. El aire recorre mayor distancia en la parte superior que en al inferior. Por ello, el aire es más veloz arriba en las alas, que abajo.

Ahora, como acabamos de mencionar, si el aire es más veloz en la parte superior, esto quiere decir, por la educación de Bernoulli, que al impresión es menor en la parte superior del ala del avión, y mayor en la parte inferior. Esta diferencia de presión del aire empujó las alas del avión con una fuerza resultante dirigida hacia arriba, denominada sustentación.

Por esta razón, la fuerza resultante, incluido el peso del avión, esta dirigido hacia arriba, y por ello los aviones pueden sostenerse en el aire, o volar.

RESISTENCIA AL FLUJO. FRICCIÓN

Para terminar con las propiedades de los flui- dos, es importante introducir la noción de fric- ción. Cuando se tienen fluidos que se mueven a diferentes velocidades entre ellos, el efecto de resistencia, entre las capas adyacentes paralelas de fluido, se traduce en resistencia al movimiento, es decir, en fricción.

También puede discutirse que al moverse un fluido se puede presentar turbulencia y, en ese caso, entra en juego otro tipo de fuerzas más complicado. En el diseño de automóviles, de aviones, de trenes, etcétera, se trata de encontrar la forma que deben tener para minimizar la posibilidad de que su paso por el aire cause turbulencia, ya que ésta causa mucha fricción.

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