Presión De Fluido.docx

Presión de fluido Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes y el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura del líquido con referencia del punto del que se mida. Se calcula mediante la siguiente expresión: Donde, usando unidades del SI, 

es la presión hidrostática (en pascales);

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es la densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico);

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es la aceleración de la gravedad (en metros sobre segundo al cuadrado);

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es la altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior es la Presión atmosférica (en pascales)

La presión que ejerce el líquido es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación de movimiento del fluido, en algunos casos especiales esta presión coincide con la presión media o incluso con la presión hidrostática. Todas las presiones representan una medida de la energía potencial por unidad de volumen en un fluido. Para definir con mayor propiedad el concepto de presión en un fluido se distinguen habitualmente varias formas de medir la presión:  La presión media, o promedio de las presiones según diferentes direcciones en un fluido, cuando el fluido está en reposo esta presión media coincide con la presión hidrostática.  La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento puede aparecer una presión hidrodinámica adicional relacionada con la velocidad del fluido. Es la presión que sufren los cuerpos sumergidos en un líquido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este.

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Se define por la fórmula

donde

es la presión hidrostática,

es

el peso específico y profundidad bajo la superficie del fluido. La presión hidrodinámica es la presión termodinámica dependiente de la dirección considerada alrededor de un punto que dependerá además del peso del fluido, el estado de movimiento de este.

Fricción La fuerza de fricción o la fuerza de rozamiento es la fuerza que existe entre dos superficies en contacto, que se opone al movimiento relativo entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones, en mayor parte son microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas imperfecciones hacen que la fuerza perpendicular R entre ambas superficies no lo sea perfectamente, sino que forme un ángulo con la normal N (el ángulo de rozamiento). Por tanto, la fuerza resultante se compone de la fuerza normal N (perpendicular a las superficies en contacto) y de la fuerza de rozamiento F, paralela a las superficies en contacto. Existen dos tipos de rozamiento o fricción, la fricción estática (Fe) y la fricción dinámica (Fd). El primero es la resistencia que se debe superar para poner en movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto. El segundo, es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al movimiento pero una vez que este ya comenzó. En resumen, lo que diferencia a un roce con el otro, es que el estático actúa cuando los cuerpos están en reposo relativo en tanto que el dinámico lo hace cuando ya están en movimiento. La fuerza de fricción estática, necesaria para vencer la fricción homóloga, es siempre menor o igual al coeficiente de rozamiento entre los dos objetos (número medido empíricamente y que se encuentra tabulado) multiplicado por la fuerza normal. La fuerza cinética, en cambio, es igual al coeficiente de rozamiento dinámico, denotado por la letra griega {\displaystyle \mu \,} {\displaystyle \mu \,}, por la normal en todo instante. No se tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento dinámico y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es algo mayor que el dinámico, porque al permanecer en reposo ambas superficies pueden aparecer enlaces iónicos, o incluso microsoldaduras entre las superficies, factores que desaparecen en estado de movimiento.

Este fenómeno es tanto mayor cuanto más perfectas son las superficies. Un caso más o menos común es el del gripaje de un motor por estar mucho tiempo parado (no solo se arruina por una temperatura muy elevada), ya que las superficies del pistón y la camisa, al permanecer en contacto y reposo durante largo tiempo, pueden llegar a soldarse entre sí.

Presión mecánica Se conoce como PRESION a la magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie, relacionando así, la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie. Para no hundirse en la nieve es conveniente usar unas raquetas especiales de mayor superficie de apoyo que los zapatos. Por el contrario, los zapatos de tacón fino deforman el suelo y se hunden con mucha facilidad. Un cuchillo mal afilado corta con mucho esfuerzo. Si lo afilamos disminuye la superficie del filo y corta más fácilmente. También cortan el hielo las cuchillas de los patines. Si una fuerza actúa sobre una superficie PEQUEÑA, su efecto deformador es GRANDE. Si una fuerza actúa sobre una superficie GRANDE, su efecto deformador es PEQUEÑO. El poder deformador de una fuerza se "reparte" en la superficie sobre la que actúa. La magnitud escalar que mide este "reparto" es la presión, que se define como la "fuerza aplicada perpendicularmente sobre cada unidad de superficie". Los gases y los líquidos son fluidos, que pueden estar en movimiento o en reposo (estáticos), pero, aunque esté en reposo la masa, sus partículas, los átomos y las moléculas, están en continua agitación. La PRESION en los FLUIDOS es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación del movimiento del fluido, en algunos casos especiales esta presión coincide con la presión media o incluso con la presión hidrostática.

Todas las presiones representan una medida de la energía potencial por unidad de volumen en un fluido. Para definir con mayor propiedad el concepto de presión en un fluido se distinguen habitualmente varias formas de medir la presión: La presión media, o promedio de las presiones según diferentes direcciones en un fluido, cuando el fluido está en reposo esta presión media coincide con la presión hidrostática. La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica adicional relacionada con la velocidad del fluido. Es la presión que sufren los cuerpos sumergidos en un líquido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este. La presión hidrodinámica es la presión termodinámica dependiente de la dirección considerada alrededor de un punto que dependerá además del peso del fluido, el estado de movimiento de este. Origen de presión En la antigüedad estaban lejos de sospechar el peso del aire. Lo consideraban como un cuerpo que por su naturaleza tendía a elevarse, explicándose la ascensión de los líquidos en las bombas por el horror vacui, «horror al vacío», que tiene la naturaleza. Cuando unos jardineros italianos quisieron elevar agua aspirando con una bomba de hélice, apreciaron que no podían superar la altura de 10,33 m (cerca de 34 pies). Consultado Galileo, determinó este que el horror de la naturaleza al vacío se limitaba con una fuerza equivalente al peso de 10,33 m de agua (lo que viene a ser 1 atm de presión), y denominó a dicha altura alteza limitadísima. En 1643, Torricelli tomó un tubo de vidrio de un metro de longitud y lo llenó de (mercurio). Manteniendo el tubo cerrado con el dedo, lo invirtió e introdujo en una vasija con mercurio. Al retirar el dedo comprobó que el metal descendía hasta formar una columna cuya altura era 13,6 veces menor que la que se obtenía al realizar el experimento con agua. Como sabía que el mercurio era 13,6 veces más pesado que el agua, dedujo que ambas columnas de líquido soportaban el mismo contrapeso, sospechando que solo el aire era capaz de realizar dicha fuerza.

Luego de la temprana muerte de Torricelli, llegaron sus experimentos a oídos de Pascal, a través del Padre Mersenne, que los dio a conocer por medio de un tratado, actualmente depositado en París. Aunque aceptando inicialmente la teoría del horror al vacío, no tardó Pascal en cambiar de idea al observar los resultados de los experimentos que realizó. Empleando un tubo curvado y usándolo de forma que la atmósfera no tuviera ninguna influencia sobre el líquido, observó que las columnas llegaban al mismo nivel. Sin embargo, cuando permitía la acción de la atmósfera en uno de los ramales, el nivel variaba. Estos resultados le indujeron a abordar el experimento definitivo, consistente en transportar el barómetro a distintas altitudes y comprobar si era realmente el peso del aire el que determinaba la ascensión del líquido en el tubo. Al escribir a Perier, uno de sus parientes, el 15 de noviembre de 1647 acerca del experimento proyectado, decía: Si sucede que la altura de la plata viva es menor en lo alto de la montaña que abajo, se deducirá necesariamente que la gravedad y presión del aire son la única causa de esta suspensión de la plata viva, y no el horror al vacío, porque es verdad que hay mucho más aire que pese al pie de la montaña que en su vértice. El 19 de septiembre de 1648, Pelier cumplió el deseo de su cuñado y realizó el experimento ascendiendo a la cima del Puy-de-Dôme. Comparando la medida realizada en la cima, situada a una altura de 500 toesas (cerca de 1000 m), con la de base, tomada por el padre Chastin, hallaron una diferencia de tres líneas y media entre ambas. La idea del horror vacui quedó definitivamente abandonada: el aire pesaba. No cabe duda del mérito de la realización del experimento; sin embargo, Descartes fue quien, en carta escrita en 1638, doce años antes del experimento de Torricelli, afirmaba ya que: El aire es pesado, se lo puede comparar a un vasto manto de lana que envuelve la Tierra hasta más allá de las nubes; el peso de esta lana comprime la superficie del mercurio en la cuba, impidiendo que descienda la columna mercurial.

No obstante, el concepto de presión atmosférica no empezó a extenderse hasta la demostración, en 1654, del burgomaestre e inventor Otto von Guericke, quien, con sus hemisferios de Magdeburgo, cautivó al público y a personajes ilustres de la época.

Presión atmosférica y altura Artículo principal: Pisos térmicos La altura modifica tanto la temperatura como la presión atmosférica y sus efectos al modificarse la densidad del aire. El fenómeno es muy sencillo: el aire se calienta en contacto con la superficie terrestre, tanto en la parte sólida como en la superficie de los océanos y mares, especialmente, en este último caso. Al calentarse el aire se eleva porque disminuye de densidad y por lo tanto, de presión y asciende hasta equilibrarse la densidad de la columna ascendente del aire con su entorno a un nivel superior. Sin embargo, la comprensión de este proceso es mucho más compleja, ya que las variaciones de la presión no dependen exclusivamente de la altura sino de otros factores como son la mayor o menor humedad o la latitud, que modifica sustancialmente el mayor o menor espesor de la atmósfera por razones dinámicas: este espesor es máximo en la zona ecuatorial debido a la fuerza centrífuga de la rotación terrestre en dicha zona y, por ende, menor en los polos. La relación entre densidad del aire y la altura dio origen al invento del altímetro, que no es sino un barómetro aneroide graduado en metros de altitud en lugar de unidades de presión atmosférica. Pronto se vio que al trasladar el altímetro a lo largo de un meridiano también variaba la presión atmosférica, incluso aunque nos encontrásemos siempre al nivel del mar. La conclusión lógica era que la altura del nivel del mar varía según la latitud, siendo mayor la altura (y por lo tanto, menor la presión), a lo largo del ecuador terrestre, que es la circunferencia equidistante de los polos, formada por los puntos más alejados del centro de la tierra señalando con ello lo que se conoce como el abultamiento ecuatorial de nuestro planeta.

1.1.1. Presión subnormal La presión subnormal de formación es menor que la presión normal, la cual se define como la presión hidrostática que ejerce una columna de agua dulce a la profundidad considerada. Generalmente estas presiones se encuentran en zonas donde las formaciones poseen un alto esfuerzo matricial y alta porosidad. El gradiente de presión subnormal es menor de 0.465 psi/pie (1.074 g/cm3), que corresponde al gradiente de presión normal; en determinadas áreas alejadas de la costa, el gradiente de presión normal es de 0.433 psi/pie (1.0 g/cm3).

1.1.2. Presión normal Cuando la presión de formación es aproximadamente igual a la presión hidrostática teórica a la profundidad de interés, se considera que es una presión de formación normal; esta presión regularmente se expresa como un gradiente hidrostático. La Tabla 1.1 muestra gradientes de presión normal para diferentes áreas que han tenido una actividad de perforación considerable. En general, la presión de formación normal es la presión hidrostática ejercida por una columna de agua de 80,000 ppm de NaCl, cuya densidad es de 1.074 g/cm3 desde la superficie hasta la profundidad de interés. 1.1.3. Presión anormal El término presión de formación anormal se usa para describir las presiones de formación que son mayores que la normal. El fenómeno de presión anormal en una cuenca sedimentaria ha sido atribuido a dos procesos principalmente: el incremento del esfuerzo aplicado a una roca compresible, y la expansión de fluido dentro de un espacio poroso limitado . La habilidad para que cada uno de estos mecanismos genere presiones superiores a la presión normal depende de la roca, de las propiedades del fluido y de su rango de cambio bajo el rango normal de las condiciones de la cuenca. Las magnitudes de las presiones anormales varían de cuenca a cuenca. Las condiciones de la cuenca que favorecen una magnitud mayor de presión anormal, desde el punto de vista de esfuerzos, son un alto índice de sedimentación y/o fuerzas compresivas laterales. Un alto índice de sedimentación crea un incremento rápido de temperatura, que a la vez favorece a la presión anormal desde el punto de vista de los mecanismos de expansión de los fluidos. Otra alternativa para alcanzar un incremento rápido de temperatura es por procesos magmáticos y tectónicos. A continuación, se presenta una explicación breve de los principales procesos que contribuyen a la generación de presiones anormales:

Incremento del esfuerzo aplicado a una roca compresible El incremento en el esfuerzo vertical durante la sedimentación produce un desalojo incompleto de agua en los sedimentos, ocasionando que parte del peso de la carga de las formaciones suprayacentes sea soportado por los fluidos, con lo cual se genera una presión de poro mayor. A este mecanismo comúnmente se le llama “Desequilibrio de Compactación” y la manifestación física sobre la roca es una presión de poro excesiva acompañada de una alta porosidad en relación con una roca a la misma profundidad con presión normal y totalmente compactada. Para entender el proceso de compactación causado por el esfuerzo vertical, se empleará el modelo de Terzaghi y Peck. En este modelo se simuló la compactación de arcillas saturadas con agua, mediante un tubo cilíndrico con platos de metal perforados y separados entre sí por resortes y agua. El esfuerzo vertical o de sobrecarga se simula a través de un pistón, los resortes representan la comunicación entre las partículas de arcillas, que a su vez están representadas por los platos perforados. El tubo tiene una válvula de drene y un manómetro. Expansión de fluido dentro de un espacio poroso limitado La presión anormal se crea por la expansión de los fluidos en las rocas de baja permeabilidad, en donde el volumen de los fluidos intersticiales incrementa con el mínimo cambio en la porosidad y en un rango que no permite la disipación efectiva del fluido. Las causas de la expansión del fluido son: deshidratación de las arcillas, transformación de esméctica a ilita, maduración de las rocas madre, craqueo de gas, precipitación mineral y reacciones de la cementación. Adicionalmente, la expansión de los fluidos y de la roca ocurre debido al incremento de temperatura con respecto a la profundidad. En todos los mecanismos anteriormente mencionados, la magnitud de la presión anormal está controlada por el rango de cambio del volumen y por las propiedades de la roca sedimentaria donde ocurre el cambio.