Breve historia de la Física Mecánica de fluidos Prof. J Güémez Departamento de Física Aplicada Universidad de Cantabria Mecánica de fluidos Arquímedes René Descartes Otto von Guericke Evangelista Torricelli Blas Pascal Robert Boyle Edme Mariotte Daniel Bernoulli Joseph L Gay-Lussac Amedeo Avogadro 1596 -- 1650 1602 -- 1686 1608 -- 1647 1623 -- 1662 1627 -- 1691 1620 -- 1684 1700 -- 1772 1778 -- 1850 1776 -- 1856 Principio de Arquímedes. Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del fluido desalojado. Al sumergir un cuerpo completamente en un fluido, el volumen de fluido desalojado es igual al volumen del cuerpo. Principio de Arquímedes. Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del fluido desalojado. Una esfera de madera sumergida en agua, experimenta un empuje mayor que su propio peso, por lo que flotará. Principio de Arquímedes. Este principio se puede deducir de las leyes de Newton. El fluido desalojado se encontraba previamente en equilibrio, por lo que su peso se equilibraba con la fuerza del resto del fluido. Cuando el cuerpo ocupa su sitio, siente esa misma fuerza, es decir experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desalojado. FE FE G (a) GO (b) Principio de Arquímedes. Ascensión en globo en París en 1783. El globo contiene aire caliente, de menor densidad que el aire frío, por lo que experimenta un empuje hacia arriba. Dibujo de Benjamín Franklin desde su casa de Passy, cerca de París. René Descartes (La Haye, Francia, 1596 - Estocolmo, Suecia, 1650) Filósofo y matemático francés. Después del esplendor de la antigua filosofía griega y del apogeo y crisis de la escolástica en la Europa medieval, los nuevos aires del Renacimiento y la revolución científica que lo acompañó darían lugar, en el siglo XVII, al nacimiento de la filosofía moderna. En 1637 apareció su famoso Discurso del método, presentado como prólogo a tres ensayos científicos. Por la audacia y novedad de los conceptos, la genialidad de los descubrimientos y el ímpetu de las ideas, el libro bastó para dar a su autor una inmediata y merecida fama, pero también por ello mismo provocó un diluvio de polémicas, que en adelante harían fatigosa y aun peligrosa su vida. Descartes Descartes Experiencia del buzo de Descartes (Cartesian Diver). Un cuentagotas, con capuchón de goma, se encuentra flotando en la superficie del agua encerrada en una botella de paredes flexibles o tapón ajustable. Experiencia del buzo de Descartes (Cartesian Diver). Una figura con forma de diablillo, se encuentra flotando en la superficie del agua encerrada en un botella de paredes flexibles o tapón ajustable. Cuando las paredes de la botella se comprimen o el tapón se oprime, el cuentagotas desciende. Y vuelve a ascender cuando la presión se relaja Experiencia del buzo de Descartes (Cartesian Diver). Cuando las paredes de la botella se comprimen o el tapón se oprime, el cuentagotas desciende. Y vuelve a ascender cuando la presión se relaja Otto von Guericke (Magdeburgo, actual Alemania, 1602 - Hamburgo, 1686) Físico e ingeniero alemán. De sus estudios sobre el vacío concluyó que éste admitía la propagación de la luz pero no la del sonido, y que determinados procesos como la combustión, y por tanto la respiración animal, no podían tener lugar en condiciones de ausencia de aire. En 1654 realizó su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo, en el que dos semiesferas de cobre de 3,66 metros de diámetro quedaron unidas con tal fuerza por el efecto de un vacío parcial creado en su interior que ni con la fuerza de dieciséis caballos fue posible separarlas. Alentado por los descubrimientos de Galileo, Pascal y Torricelli, intentó conseguir el vacío, y, tras numerosos y afortunados experimentos, entre los cuales figura el célebre de los hemisferios, inventó en 1650 la bomba aspirante. Otto von Guericke realizó también algunos estudios de electrostática; se le deben el primer esbozo de máquina eléctrica, el descubrimiento de la repulsión electrostática y la observación de algunos fenómenos luminosos. Experiencia de los hemisferios de Magdeburgo. Cuando se extrae el aire del interior de una esfera formada por dos hemisferior, varios caballos tirando por cada lado no consiguen separarlos Guericke D r 64 cm 32 cm A= r 2 F = P0 A 1 cab. 6 cab. 0, 32 m 2 3, 2 · 10 N 4 5, 0 · 10 N 3 3, 0 · 10 N 4 Experiencia de los hemisferios de Magdeburgo. Cuando se extrae el aire del interior de una esfera formada por dos hemisferior, la presión atmosférica ejerce tal fuerza que no se pueden separar fácilmente. Experiencia de los hemisferios de Magdeburgo. Cuando se extrae el aire del interior de una esfera formada por dos hemisferior, la presión atmosférica ejerce tal fuerza que no se pueden separar fácilmente. r 5 cm 2 F = P0 A 7, 8 · 10 N 2 1 per. 5, 0 · 10 N Evangelista Torricelli (Faenza, actual Italia, 1608-Florencia, 1647) Físico y matemático italiano. Se le atribuye la invención del barómetro. Asimismo, sus aportaciones a la geometría fueron determinantes en el desarrollo del cálculo integral. Su tratado sobre mecánica De mutu (Acerca del movimiento), logró impresionar a Galileo, en quien el propio Torricelli se había inspirado a la hora de redactar la obra. Torricelli fue nombrado profesor de matemáticas de la Academia Florentina. Atendiendo una sugerencia formulada por Galileo, llenó con mercurio un tubo de vidrio de 1,2 m de longitud, y lo invirtió sobre un plato; comprobó entonces que el mercurio no se escapaba, y observó que en el espacio existente por encima del metal se creaba el vacío. Tras muchas observaciones, concluyó que las variaciones en la altura de la columna de mercurio se deben a cambios en la presión atmosférica. Torricelli Experiencia de Torricelli. Un tubo, cerrado por un extremo, lleno de mercurio, se invierte sobre un recipiente con mercurio. La altura de la columna de mercurio es de unos 0,76 metros. La altura de la columna de mercurio no depende de la forma del tubo, con tal de que inicialmente estuviera lleno de mercurio. Experiencia de Torricelli. Un tubo, cerrado por un extremo, lleno de mercurio, se invierte sobre un recipiente con mercurio. La altura de la columna de mercurio es de unos 760 milímetros. Experiencia de Torricelli. 5 P0 = 1, 013 · 10 Pa h = 760 mm Hg La presión que ejerce la atmósfera sobre la superficie del mercurio equilibra la presión que ejerce la propia columna de mercurio. Sobre toda la superficie del mercurio, fuera y dentro del tubo, la presión debe ser la misma. h P0 (i) P0 (f) Paradoja hidrostática F1 F2 Si un tubo de Torricelli, con altura de mercurio de 0,76 metros, se cuelga de un dinamómetro, dicho dinamómetro mide la fuerza debida al peso del mercurio. Si se va dejando entrar aire en el tubo y la columna de mercurio desciende, el dinamómetro mide el peso del mercurio que queda en la columna. Si la atmósfera equilibra el peso del mercurio, ¿a qué se debe la fuerza medida por el dinamómetro? Como dentro del tubo de Torricelli al principio hay vacío, es la fuerza, no equilibrada desde el interior del tubo, que hace la atmósfera sobre la parte superior externa del tubo, la que detecta el dinamómetro. A medida que entra aire, la fuerza externa se va equilibrando con la interna que ejerce el aire. P0 (a) P0 (b) Experiencia de Torricelli. Torricelli admite que en la parte superior del tubo hay un vacío (una circunstancia prohibida en la teoría de Aristóteles del horror vacui) y que la luz es capaz de atravesar ese vacío, por lo que se concluye que la luz se transmite en el vacío. Por el contrario, el sonido no se transmite en el vacío. Errores en las películas de naves espaciales que se escucha cómo explotan. Blaise Pascal (Clermont-Ferrand, Francia, 1623-París, 1662) Filósofo, físico y matemático francés. Su madre falleció cuando él contaba tres años, a raíz de lo cual su padre se trasladó a París con su familia (1630). Fue un genio precoz a quien su padre inició muy pronto en la geometría e introdujo en el círculo de Mersenne, la Academia, a la que él mismo pertenecía. Allí Pascal se familiarizó con las ideas de Girard Desargues y en 1640 redactó su Ensayo sobre las cónicas (Essai pour les coniques), que contenía lo que hoy se conoce como teorema del hexágono de Pascal. En Ruán Pascal comenzó también a interesarse por la física, y en especial por la hidrostática, y emprendió sus primeras experiencias sobre el vacío; intervino en la polémica en torno a la existencia del horror vacui en la naturaleza y realizó importantes experimentos (en especial el de Puy de Dôme en 1647) en apoyo de la explicación dada por Torricelli al funcionamiento del barómetro. Pascal Billete de banco francés con un retrato de Blaise Pascal. Experimento en una calle de Ruén. P0 = L ghL Repitiendo la experiencia de Torricelli pero con una columna de agua, Pascal comprobó que una columna invertida y cerrada de agua -- con una densidad 13,5 veces menor que el mercurio --, alcanzaba una altura de unos 11 metros, 13,5 veces mayor que los 0,76 metros de la experiencia de Torricelli. En ambos casos, es la misma presión atmosférica la que equilibra las columnas. Por la misma razón, si se quiere sacar agua de un pozo mediante una bomba de vacío, sólo se podrá extraer agua de una profundidad de unos 11 metros. gh = Hg Hg gh A A Ascenso con barómetros de mercurio al Puy de Dôme. Siguiendo una sugerencia de Pascal, varios científicos ascendieron con barómetros de mercurio a la cima del Puy de Dôme, comprobando que la columna de mercurio iba descendiendo en altura a medida que la altura respecto del nivel del mar aumentaba. El resultado estaba de acuerdo con la predicción de Pascal de que a medida que disminuía la capa de atmósfera disminuía su presión y la altura de la columna de mercurio que la equilibraba. P0 = L ghL Principio de Pascal. Cuando en un sistema cerrado aumenta la presión en un punto, todo el sistema nota inmediatamente dicho aumento de presión. Prensa hidráulica. Una pequeña fuerza aplicada sobre una superficie pequeña es capaz de realizar una fuerza grande sobre una superficie grande F2 F1 A2 A1 F1 F2 P = = A1 A2 Robert Boyle (Lisemore, actual Irlanda, 1627-Londres, 1691) Químico inglés, nacido en Irlanda. Pionero de la experimentación en el campo de la química, en particular en lo que respecta a las propiedades de los gases, los razonamientos de Robert Boyle sobre el comportamiento de la materia a nivel corpuscular fueron los precursores de la moderna teoría de los elementos químicos. Fue también uno de los miembros fundadores de la Royal Society de Londres. Los resultados de estas aportaciones fueron recogidos en su Nuevos experimentos físico-mecánicos acerca de la elasticidad del aire y sus efectos (1660). En la segunda edición de esta obra (1662) expuso la famosa propiedad de los gases conocida con el nombre de ley de Boyle-Mariotte, que establece que el volumen ocupado por un gas (hoy se sabe que esta ley se cumple únicamente aceptando un teórico comportamiento ideal del gas), a temperatura constante, es inversamente proporcional a su presión. Boyle Experiencias de Boyle y Hooke. Boyle, ayudado por Hooke, llevó a cabo experiencias en las que medía el volumen ocupado por un gas a medida que se aumentaba la presión sobre el mismo y experiencias es las que, con una bomba de vacío, disminuía la presión del gas PV = C te Ley de Boyle-Mariotte. Para una masa fija de gas, cuya temperatura permanezca constante, el producto de la presión ejercida sobre el gas por el volumen que ocupa el mismo, es una constante (constante que dependerá de la temperatura y de la masa del gas). PV = C te Vi T Pi Vf T Pf Ley de BoyleMariotte. Una de las primeras ecuaciones de la física escrita en su forma matemática actual. PV = C te Bomba de vacío construida por Hooke para Boyle. Robert Hooke construyó diversos instrumentos científicos para Robert Boyle, entre otros, una bomba de vacío. Dotada de una válvula asimétrica (válvula de no etorno), permitía la extracción de aire de la esfera superior, pero impedía su entrada. Experimentos con bombas de vacío. Se colocaban pequeños animales para ver su reacción a la falta de aire. Se relacionó la combustión de una vela con la respiración animal. Pintura de Joseph Wright (1734-1797) Experimentos con bombas de vacío. El globo, inicialmente con poco aire, se hincha a medida que se va haciendo vacío en el interior de la cámara. Edmé Mariotte (Dijon, Francia, 1620-París, 1684) Físico francés. Padre prior del monasterio de Saint-Martin-sous-Beaune, fue miembro fundador en 1666 de la Academia de las Ciencias de París. En su obra Discurso sobre la naturaleza del aire introdujo la posibilidad de pronosticar el tiempo atmosférico basándose en las variaciones barométricas. En 1676 formuló la ley de Boyle de forma independiente y más completa que éste, al establecer que la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales si se mantiene constante su temperatura, principio que actualmente se conoce como ley de Boyle-Mariotte. En sus estudios acerca de la fisiología de las plantas, observó que en éstas la presión de la savia podría compararse a la de la sangre en los animales. Experiencias de Mariotte. A presión constante, al aumentar la temperatura de un gas, aumenta su volumen. V (t) = V0 (1 + [t t0 ]) Experiencias de Gay-Lussac. A volumen constante, al aumentar la temperatura de un gas, aumenta su presión. P (t) = P0 (1 + [t t0 ]) Daniel Bernoulli Jakob Bernoulli (Basilea, Suiza, 1654 - id., 1705), Johann Bernoulli (Basilea, 1667 - id., 1748) y Daniel Bernoulli (Groninga, Holanda, 1700 Basilea, 1782). Autor de notables contribuciones a la teoría de las ecuaciones diferenciales, el tercer Bernoulli destacó sobre todo por su estudio de la mecánica de fluidos; su obra principal, Hydrodynamica, se publicó en 1738, aunque ya la había concluido en 1734. Contiene la idea de lo que más tarde se conoció como teorema de Bernoulli, así como los fundamentos de la moderna teoría cinética de los gases. Desde 1750 hasta 1776 ocupó la cátedra de física en Basilea; se distinguió por ilustrar sus clases con interesantísimos experimentos que le valieron grandes éxitos de audiencia. Bernoulli Principio de Bernoulli 1 2 1 2 P1 + ⇢v1 + ⇢gh1 = P2 + ⇢v2 + ⇢gh2 2 2 La diferencia de energías potenciales y cinéticas entre un punto y otro es igual al trabajo realizado. Ecuación de Bernoulli. Válida para un gas incompresible, la ecuación de Bernoulli es equivalente al principio de conservación de la energía mecánica, por unidad de volumen. El trabajo realizado sobre el fluido es igual a las variaciones de su energía cinética y de su energía potencial. 1 2 1 2 P1 + v1 + gh1 = P2 + v2 + gh2 2 2 m = V v1 A1 = v2 A2 (P2 1 2 P1 )V = m(v2 2 2 v1 ) + mg(h2 h1 ) Efecto Venturi. Cuando un líquido que fluye por una tubería llega a un estrechamiento, para mantener el caudal debe aumentar su velocidad, disminuyendo entonces su presión, de acuerdo con el teorema de Bernoulli. La menor presión se detecta por la menor altura de la columna de líquido. estrechamiento Botella de Mariotte de flujo constante. Una botella cerrada, con un tubo abierto a la atmósfera y un orificio de salida de líquido. El flujo de líquido es constante debido a que su velocidad viene determinada por la altura de líquido que hay entre el orificio de salida y el extremo sumergido del tubo abierto a la atmosfera. Pi Pf h (a) v P0 P0 (b) v Aero-deslizador de Bernoulli. El aire a alta velocidad crea una capa sin rozamiento sobre la que desliza el aerodeslizador. La menor presión hace que la presión atmosférica estabilice el aerodeslizador. Sifón Con un sifón se puede trasvasar un líquido de un vaso superior a otro inferior, haciéndole pasar por una altura entre ambos. Ya los egipcios conocían el principio del sifón. Sifón Con un sifón se puede trasvasar un líquido de un vaso superior a otro inferior, haciéndole pasar por una altura entre ambos. El flujo continúa hasta que los niveles en ambos vasos se igualan. Autosifón o vaso de Tántalo Si el sifón se sitúa dentro del propio vaso, cuando el líquido alcanza una cierta altura, todo el líquido del vaso se vacía. Bolsa de Bernoulli. Es más fácil llenar una bolsa grande de aire soplando a una cierta distancia de la boca de la bolsa, que haciéndolo directamente sobre la boca. El flujo de aire hace que parte del aire exterior también entre en la bolsa, ayudando a su llenado. ¿Porqué vuelan los aviones? El efecto Coanda. Cuando el fluido se encuentra con un obstáculo redondeado, tiende a seguirlo. Para doblar el flujo de fluido, hay que ejercer una fuerza sobre él y él ejerce una fuerza igual y de sentido contraio sobre la pared. Bola flotante. Una bola de pingpong flota en un chorro de aire, en equilibrio estable. El efecto Coanda la estabiliza. ¿Porqué vuelan los aviones? El flujo de aire por encima del ala se dobla y hace que se ejerza una fuerza hacia arriba sobre el ala. El flujo de aire por debajo, empuja el ala hacia arriba. Teoría cinética de los gases. La presión que ejerce un gas sobre un émbolo que soporta un peso, y lo equilibra, se puede obtener calculando la fuerza media que sobre el émbolo ejercen las partículas microscópicas que componen el gas en sus choques constantes contra el mismo. 1 2 P = kB v̄ 2 P = RT T v̄ 2 Teoría cinética de los gases. Cuando, en condiciones adiabáticas, se realiza un trabajo sobre un gas, aumenta su temperatura, pues aumenta la velocidad de sus partículas, y aumenta su presión, pues aumenta el momento lineal y la energía de los choques contra las paredes. Cuando, a volumen constante, aumenta su temperatura, aumenta su presión debido al mismo efecto de aumento de choques y de momento lineal. Teoría cinética de la materia. Un colorante se difunde mejor en un líquido a alta temperatura que en un líquido a baja temperatura. Joseph-Louis Gay-Lussac (Saint-Léonard-de-Noblat, Francia, 1778-París, 1850) Físico francés. Abandonó una posterior ampliación de sus estudios tras aceptar la oferta de colaborador en el laboratorio de Claude-Louis Berthollet, bajo el patrocinio de Napoleón. En 1802 observó que todos los gases se expanden una misma fracción de volumen para un mismo aumento en la temperatura, lo que reveló la existencia de un coeficiente de expansión térmica común que hizo posible la definición de una nueva escala de temperaturas, establecida con posterioridad por lord Kelvin. En 1804 efectuó una ascensión en globo aerostático que le permitió corroborar que tanto el campo magnético terrestre como la composición química de la atmósfera permanecen constantes a partir de una determinada altura. En 1808, enunció la ley de los volúmenes de combinación que lleva su nombre, según la cual los volúmenes de dos gases que reaccionan entre sí en idénticas condiciones de presión y temperatura guardan una relación sencilla. Ley de Gay-Lussac. A volumen constante, la relación entre presión y temperatura (absoluta) es constante. P1 P2 te = =C T1 T2 Ley de Charles. A presión constante, la relación entre volumen y temperatura (absoluta) es constante. V1 V2 te = =C T1 T2 Principio de Arquímedes. Ascensión de Charles en 1783 en un globo de hidrógeno. El globo contiene hidrógeno, de menor densidad que el aire, por lo que experimenta un empuje hacia arriba. Gas a volumen constante. Cuando, a volumen constante, aumenta la temperatura del gas, aumenta su presión. (Simulación de un gas. Universidad de Colorado) Gas a volumen constante. Cuando, a volumen constante, aumenta la temperatura del gas, aumenta su presión. (Simulación de un gas. Universidad de Colorado) Amedeo Avogadro (Amedeo o Amadeo Avogadro di Quaregna; Turín, 1776-id., 1856) Químico y físico italiano. En un trabajo titulado Ensayo sobre un modo de determinar las masas relativas de las moléculas elementales, estableció la famosa hipótesis de que volúmenes de gases iguales, a las mismas condiciones de temperatura y presión, contienen igual número de moléculas. Determinó que los gases simples como el hidrógeno y el oxígeno son diatómicos (H2, O2) y asignó la fórmula (H2O) para el agua. Las leyes de Avogadro resolvieron el conflicto entre la teoría atómica de Dalton y las experiencias de GayLussac. El número de partículas en un «mol» de sustancia fue denominado constante o número de Avogadro en su honor. El ilustre químico piamontés preparó también un grueso tratado en cuatro volúmenes, Física de los cuerpos ponderables o Tratado de la constitución general de los cuerpos, que prefigura genialmente hipótesis, teorías y leyes atribuidas a autores posteriores. Número de Avogadro NA = 6, 023 · 10 23 moleculas por mol Un mol de agua son 18 g, es decir, 18 cm cúbicos. 602 300 000 000 000 000 000 000 Con el número de Avogadro en monedas de 1 €, se podría cubrir la superficie de toda la Tierra con una capa de unos 500 m de altura. Principio de Avogadro. Volúmenes iguales de gas en las mismas condiciones de temperatura y presión contienen el mismo número de moléculas. Avogadro encontró la forma de conciliar los resultados experimentales de Gay-Lussac con la teoría atómica de Dalton: propuso que las partículas de los gases elementales no estaban formadas por átomos simples, sino por agregados de átomos a los que llamó moléculas, palabra que procede del latín moles y que significa "masa". "Moléculas elementales" en el caso de cuerpos simples, formadas de átomos de la misma especie; "moléculas integrantes" en los casos de cuerpos compuestos, formadas de átomos de especie diversa. Así, pues, los gases están formados por moléculas (concepto que aparece por primera vez con el principio de Avogadro) y éstas se escinden en átomos cuando dos gases reaccionan entre sí. De este modo era inmediato explicar la ley de Gay-Lussac sin más que admitir que las moléculas de los gases elementales son diatómicas: las previsiones teóricas concordaban perfectamente con los resultados experimentales. Reacción oxígeno más hidrógeno para producir agua. Dos volúmenes de hidrógeno reaccionan con un volumen de oxígeno para dar dos volúmenes de agua. 2H2 + O2 H2 O Reacciones químicas. Simulación de la Universidad de Colorado A + BC AB + C Ecuación del gas ideal. Poniendo juntas las experiencias de Boyle, Mariotte, Gay-Lussac y la teoría de Avogadro, se puede obtener la ecuación de los gases ideales. Cero absoluto de temperaturas. La temperatura a la que un gas tiene presión nula es el cero absoluto, pues la temperatura no puede ser menor que ésta. PV = C V (t) = V0 (1 + [t t0 ]) P (t) = P0 (1 + [t t0 ]) te P V = NA kB (273 + t) P0 V0 = NA kB (273 + 0) t0 = 273 C Experiencia del buzo de Descartes (Cartesian Diver). Buzo de Descartes Se necesitan las siguientes leyes: Principio de Arquímedes (flotación y hundimiento) Principio de Pascal (por qué funciona el truco) Ley de Boyle-Mariotte (reducción de burbuja) Principio de Bernoulli (a veces el buzo se queda en el fondo) para explicar el funcionamiento del buzo de Descartes FIN Breve historia de la Física Mecánica de fluidos Prof. J Güémez Departamento de Física Aplicada Universidad de Cantabria
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