Introducción

El estudio de la mecánica de fluidos puede ayudarnos tanto para comprender la complejidad del medio natural, como para mejorar el mundo que hemos creado. Si bien la mecánica de fluidos esta siempre presente en nuestra vida cotidiana, lo que nos falta conocer es como se expresa esta información en términos cuantitativos, o la manera en que se diseñan sistemas con base en este conocimiento, mismos que se utilizaran para otros fines.

Primeros submarinos y sumergibles

Un lejano ancestro del submarino es probablemente la barca cosaca del siglo XVII llamada chaika ("gaviota"), que fue usada bajo el agua para misiones de reconocimiento e infiltración. Chaika podía ser cerrada y sumergida fácilmente de forma que la tripulación podía respirar bajo ella como en una campana submarina moderna e impulsarla caminando por el fondo del río. También se usaban lastres especiales y tubos para tomar aire del exterior.

El primer sumergible de cuya ejecución se tiene información fidedigna fue construido en 1620 por Cornelius Jacobszoon Drebbel, un holandés al servicio de Jaime I de Inglaterra. Estaba propulsado por medio de remos, si bien su naturaleza exacta es objeto de cierta controversia: algunos afirman que era simplemente una campana remolcada por una barca. Dos tipos mejorados fueron probados en el Támesis entre 1620 y 1624.

Aunque los primeros vehículos sumergibles eran meras herramientas para exploraciones subacuáticas, a los inventores no le costó mucho advertir su potencial militar. Las ventajas estratégicas de los submarinos fueron expuestas por el obispo John Wilkins de Chester ya en 1648.

Corporación colegio San Bonifacio de las Lanzas. Grado 10ºB

Por: Ana Lucía Londoño y Valentina Valdez, estudiantes del grado décimo B.

 Presentado a: Fredy Banguero Tafur, profesor de física.

Este es un blog educativo con el propósito de aprender teoría de la física, por medio tecnológicos, interactivos e investigativos. Nuestro objetivo es entender la dinámica de los submarinos por medio del principio de flotabilidad de Arquimedes.

Tomado y adaptado de:

http://www.histarmar.com.ar/InfGral/PrehistoriadelSubmarino-1.htm

Ley de Torricelli.

La ley de Torricelli, también conocido como el teorema de Torricelli, es un teorema en la dinámica de fluidos que relacionan la velocidad de fluido que fluye fuera de una abertura a la altura de líquido por encima de la abertura.

La ley de Torricelli que la velocidad de flujo de salida, v, de un fluido a través de un orificio de borde afilado en la parte inferior de un tanque lleno a una profundidad h es la misma que la velocidad a la que un cuerpo (en este caso una gota de agua) haría adquirir en caída libre desde una altura h, es decir,

, donde g es la aceleración debida a la gravedad (9,81 N / kg). Esta última expresión viene de igualar la energía cinética adquirida,   con la energía potencial perdida, mgh, y despejando v.

Biografia

Nació el 15 de octubre de 1608 en Faenza. 
Cursó estudios en el Collegio di Sapienza en Roma. Fue ayudante de Galileo en 1641 y 1642. A la muerte de éste, le sucedió como profesor de Filosofía y Matemáticas en la Academia Florentina. Torricelli descubrió y determinó el valor de la presión atmosférica y en 1643 inventó el barómetro. También comprobó que el flujo de un líquido por una abertura es proporcional a la raíz cuadrada de la altura del líquido, este resultado es conocido ahora como el Teorema de Torricelli. Escribió Trattato del moto (Tratado sobre el movimiento, c. 1640) y Opera geométrica (Obra geométrica, 1644). Fue un experto en la construcción de telescopios y ganó mucho dinero con en este trabajo en el último periodo de su vida. Una unidad de medida, el torr, que se utiliza en física, se denomina así en su honor. Evangelista Torricelli falleció el 25 de octubre de 1647 en Florencia.

Tomado y adaptado de:

http://issuu.com/ernestoyanezrivera/docs/32-principio-de-torricelli

Principio de Pascal

Si se ejerce presión sobre

 un líquido en un barril lleno, 

el barril va a estallar.

Ley de Pascal o el principio de la transmisión de la presión de fluido es un principio en mecánica de fluidos que indica que la presión ejercida en cualquier lugar en un fluido incompresible confinado se transmite igualmente en todas las direcciones en todo el fluido de tal manera que las variaciones de presión (diferencias iniciales) siguen siendo los mismos. La ley fue establecida por el matemático francés Blaise Pascal.

Este principio se indica matemáticamente como:

 es la presión hidrostática (dado en pascales en el sistema SI), o la diferencia de la presión en dos puntos dentro de una columna de fluido, debido al peso del fluido;

ρ es la densidad del fluido (en kilogramos por metro cúbico en el sistema SI);

g es la aceleración de la gravedad (normalmente mediante la aceleración del nivel del mar debido a la gravedad de la Tierra en metros por segundo al cuadrado);

 is the height of fluid above the point of measurement, or the difference in elevation between the two points within the fluid column (in metres in SI).

Biografia

Nació en Clermont, Francia y murió en París. Pertenecía a una familia noble de Auvernia, que tuvo 4 hijos, él era el único varón.  Su madre murió cuando él tenía 3 años.  Su padre, Etienne Pascal, le enseñó gramática, latín, español y matemáticas.  No quería que Blaise, fuera matemático y le prohibió que se dedicara a ello.  De modo que se puso a estudiar matemáticas por su cuenta y a los 12 años ya había descubierto que la suma de los ángulos de un triángulo es de 180º. Cuando su padre lo descubrió le ayudó dándole un tratado escrito por Euclides y permitiendo que le acompañara a las reuniones de Mersenne. A la edad de 16 años Pascal presentó, en una reunión con Mersenne, un trozo de papel. Contenía un número de teoremas de geometría proyectiva, incluyendo incluso el hexágono místico de Pascal. Cuando tenía 20 años, su padre fue trasladado a Rouen como recaudador de impuestos y para ayudarle en su trabajo, Blaise ideó una máquina de calcular que fue perfeccionada más tarde por otro matemático. En 1646, su padre se rompió una pierna y fue curado por dos hermanos de un movimiento religioso, el jansenismo,  que influyeron notablemente en Blaise. Y en 1654 se retiró a la Abadía de Por-Royal.  Tanto es así, que se convirtió a esta doctrina y atacó a los jesuitas, intentando dar una explicación racional a la existencia de Dios. Los últimos años de su vida los dedicó a los pobres y a recorrer las iglesias de París escuchando todos los servicios religiosos que podía. En la última etapa de su vida se inclinó por la intuición como fuente de todas las verdades. Estuvo muy influenciado por su hermana Jacqueline. Su último trabajo fue el cicloide, la curva trazada por un punto en la circunferencia de un rollo circular. Murió a los 39 años, después de sufrir mucho debido a un cáncer de estómago, mal que padecía desde muy joven y que al pasar los años fue creciendo, alcanzando incluido al cerebro.

Tomado y adaptado de:

http://fisicameca.jimdo.com/inicio/principio-de-pascal/

Principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli es un concepto de la dinámica de fluidos. Se dice que cuando un fluido incompresible se mueve a través de diferentes tamaños de tubo, la velocidad del líquido cambia. Este cambio en la velocidad se llama "aceleración". Newton mostró que la aceleración sólo se produce a través de la acción de una fuerza. Cuando una fuerza actúa sobre un área, se llama "presión". Por lo que cualquier cambio en la velocidad de un fluido debe ir acompañado de un cambio en la presión (fuerza). Bernoulli vio que la velocidad del flujo subió en la parte más pequeña del tubo mientras que la presión en el lado del tubo más pequeño se redujo.

Básicamente, el principio de Bernoulli que dice que cuando la velocidad del fluido aumenta, la presión disminuye. La foto de la derecha muestra como ocurre esto. El aire en la parte ancha del tubo tiene una presión estática mayor que la parte delgada. Para obtener un flujo constante, la cantidad de fluido que entra en el tubo debe ser igual a la cantidad que sale de la tubería, por lo que la velocidad del fluido en la parte delgada debe aumentar.

La versión completa del principio de Bernoulli incluye tanto el trabajo realizado por la presión y por los cambios en la energía potencial de los cambios en la altura. En esta forma, el principio dice que la suma de la presión, la energía cinética y la energía potencial es una constante. (Bernoulli no tiene en cuenta la viscosidad o la compresibilidad.)

Biografía.

Nació el 29 de enero de 1700 en Groningen, Holanda. Hijo de Jean Bernoulli y sobrino de Jacques Bernoulli, dos investigadores que hicieron aportaciones importantes al primitivo desarrollo del cálculo. 

Aunque consiguió un título médico en 1721, Daniel y su hermano Nicolás fueron invitados a trabajar en la Academia de Ciencias de St. Petersburgo, él como profesor de matemáticas. Fue allí donde entró en colaboración con Euler. En 1731 comenzó a extender sus investigaciones para cubrir problemas de la vida y de la estadística de la salud. Dos años después regresó a Basilea donde enseñó anatomía, botánica, filosofía y física. Como trabajo más importante se destaca el realizado en hidrodinámica que consideraba las propiedades más importantes del flujo de un fluido, la presión, la densidad y la velocidad y dio su relación fundamental conocida ahora como El Principio de Bernoulli o Teoría Dinámica de los fluidos. En su libro también da una explicación teórica de la presión del gas en las paredes de un envase: "A lo largo de toda corriente fluida la energía total por la unidad de masa es constante, estando constituida por la suma de la presión, la energía cinética por unidad de volumen y la energía potencial igualmente por unidad de volumen". Le concedieron, entre 1725 y 1749, diez premios por su trabajo en astronomía, gravedad, mareas, magnetismo, corrientes del océano y el comportamiento de una embarcación en el mar. 

Explicación del principio de Bernoulli.

Tomado y adaptado:

http://www.dfa.uv.cl/~jura/Fisica_I/semana_XIII_2.pdf

¿Qué es la Mecánica de Fluidos?

La mecánica de fluidos es el estudio de cómo se mueven los fluidos y las fuerzas que actúan sobre ellos. (Los fluidos incluyen líquidos y gases.)

La mecánica de fluidos se puede dividir en estática de fluidos, el estudio de los fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que es el estudio de los fluidos en movimiento. Es una rama de la mecánica de medios continuos, un tema que modela la materia sin necesidad de utilizar la información que está hecho de átomos.

El estudio de la mecánica de fluidos se remonta al

menos a la época de la antigua Grecia, cuando Arquímedes hizo un comienzo en la estática de fluidos. Sin embargo, la mecánica de fluidos, dinámica de fluidos, en especial, es un campo de investigación activo con muchos problemas sin resolver o parcialmente resueltos. La mecánica de fluidos puede ser matemáticamente compleja. A veces puede ser resuelto por análisis numérico, por lo general el uso de computadoras. Una disciplina moderna, llamada Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), se dedica a este enfoque a la solución de problemas de mecánica de fluidos.

Introducción a la mecánica de fluidos.










Tomado y adaptado de:
http://oa.upm.es/6531/1/amd-apuntes-fluidos.pdf
http://www.edutecne.utn.edu.ar/mecanica_fluidos/mecanica_fluidos_2.pdf
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/estatica_fluidos/ap03_hidroestatica.php

¿Por qué flota o se hunde un submarino?

Un submarino o de un buque pueden flotar debido a que el peso del agua que desplazan es igual al peso de la nave. Este desplazamiento del agua crea una fuerza hacia arriba llamada la fuerza de flotación y actúa en sentido opuesto a la gravedad, que tira la nave hacia abajo. A diferencia de un barco , un submarino puede controlar su flotabilidad , lo que permite que se hunda y emerja a voluntad determinada.

Para controlar su flotabilidad, el submarino tiene tanques de lastre y tanques de ajuste, que puede llenarse alternativamente de agua o aire. Cuando el submarino está en la superficie , los tanques de lastre se llenan de aire y la densidad promedio del submarino es menor que la del agua que lo rodea. Cuando el submarino hace una inmersión, los tanques de lastre se inundan con agua y el aire que estaba anteriormente se ventila desde el submarino hasta que su densidad total es mayor que el agua, el submarino comienza a hundirse y por ende tiene una flotabilidad negativa. Un suministro de aire comprimido se mantiene a bordo del submarino en compartimientos especiales, este se utiliza para el soporte de vida y para su regulación de los tanques de lastre.

Para mantener el nivel de submarino a cualquier profundidad determinada, el submarino mantiene un equilibrio de aire y agua en los tanques de ajuste de manera que su densidad total es igual a la del agua circundante (flotabilidad neutra ). Cuando el submarino alcanza su profundidad de crucero , los hidroaviones se nivelan de manera que el submarino pueda viajar a través del agua.

Cuando el submarino emerge, el aire comprimido fluye desde los compartimientos de aire en los tanques de lastre y el agua es forzada a salir del submarino hasta que su densidad total es menor que el agua que lo rodea (flotabilidad positiva) y el submarino sube a la superficie.

Mini experimento.

Tomado y adaptado de:

http://www.neoteo.com/como-funciona-un-submarino/

http://www.monografias.com/trabajos82/como-funcionan-submarinos/como-funcionan-submarinos.shtml

Principio de Arquimedes.

“Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja”

Si el peso del agua desplazada es menor que el peso del objeto, el objeto se hundirá. De lo contrario el objeto flotará, con el peso del agua desplazada igual al peso del objeto. Por ende, aunque se sumerja en agua la misma cantidad de acero, en forma de bola y en forma de lamina, la lamina flotará porque el agua que desplaza es igual o mayor a su peso,  a diferencia de la bola que se hundirá debido a que el agua desplazada pesa menos que la bola misma.

Biografía.

(Siracusa, actual Italia, h. 287 a.C.-id., 212 a.C.) Matemático griego. Hijo de un astrónomo, quien probablemente le introdujo en las matemáticas, Arquímedes estudió en Alejandría, donde tuvo como maestro a Conón de Samos y entró en contacto con Eratóstenes; a este último dedicó Arquímedes su Método, en el que expuso su genial aplicación de la mecánica a la geometría, en la que «pesaba» imaginariamente áreas y volúmenes desconocidos para determinar su valor. Regresó luego a Siracusa, donde se dedicó de lleno al trabajo científico.

De la biografía de Arquímedes, gran matemático e ingeniero, a quien Plutarco atribuyó una «inteligencia sobrehumana», sólo se conocen una serie de anécdotas. La más divulgada la relata Vitruvio y se refiere al método que utilizó para comprobar si existió fraude en la confección de una corona de oro encargada por Hierón II, tirano de Siracusa y protector de Arquímedes, quizás incluso pariente suyo. Hallándose en un establecimiento de baños, advirtió que el agua desbordaba de la bañera a medida que se iba introduciendo en ella; esta observación le inspiró la idea que le permitió resolver la cuestión que le planteó el tirano. Se cuenta que, impulsado por la alegría, corrió desnudo por las calles de Siracusa hacia su casa gritando «Eureka! Eureka!», es decir, «¡Lo encontré! ¡Lo encontré!».

La idea de Arquímedes está reflejada en una de las proposiciones iniciales de su obra Sobre los cuerpos flotantes, pionera de la hidrostática; corresponde al famoso principio que lleva su nombre y, como allí se explica, haciendo uso de él es posible calcular la ley de una aleación, lo cual le permitió descubrir que el orfebre había cometido fraude.

Según otra anécdota famosa, recogida por Plutarco, entre otros, Arquímedes aseguró al tirano que, si le daban un punto de apoyo, conseguiría mover la Tierra; se cree que, exhortado por el rey a que pusiera en práctica su aseveración, logró sin esfuerzo aparente, mediante un complicado sistema de poleas, poner en movimiento un navío de tres mástiles con su carga.

Son célebres los ingenios bélicos cuya paternidad le atribuye la tradición y que, según se dice, permitieron a Siracusa resistir tres años el asedio romano, antes de caer en manos de las tropas de Marcelo; también se cuenta que, contraviniendo órdenes expresas del general romano, un soldado mató a Arquímedes por resistirse éste a abandonar la resolución de un problema matemático en el que estaba inmerso, escena perpetuada en un mosaico hallado en Herculano.

Principio de flotabilidad de Arquimedes.

Tomado y adaptado de:

http://blog.miprofesordefisica.com/principio-de-arquimedes-flotacion-y-fuerza-de-empuje/

http://lafisicaparatodos.wikispaces.com/Principio+de+Arquimides