El físico francés Blaise Pascal realizó, en 1653, un experimento que consistió en ejercer una presión en un tonel...
PRINCIPIO DE PASCAL
El físico francés Blaise Pascal realizó, en 1653, un experimento que consistió en ejercer una presión en un tonel o barril lleno de agua con el peso de una columna del mismo líquido contenida en un tubo delgado y muy alto (aproximadamente 10 m); la presión ejercida por dicha columna fue de tal magnitud que el barril se rompió.
Así, Pascal comprobó que la presión aplicada a un líquido encerrado y en reposo se transmite integralmente a todas las partes del fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene. La jeringa de Pascal es una esfera de vidrio con pequeños agujeros que está provista de un tubo por el que se desplaza un émbolo y que se utiliza en los laboratorios para entender este principio. Si la esfera se llena con agua y se ejerce presión sobre el émbolo, se observa que la presión es la misma en todos los puntos del recipiente.
La presión ejercida en un fluido encerrado se transmite con la misma intensidad en todas direcciones.
El movimiento de líquido indica que la presión ejercida se transmite a todos los puntos de las paredes del recipiente. La presión ejercida en un líquido encerrado (en reposo) se transmite íntegramente en todas direcciones y sentidos.
La ley de Pascal puede ser enunciada de la siguiente manera: La presión ejercida en un fluido encerrado y en reposo se transmite uniformemente a través del volumen del fluido.
Prensa hidráulica
La prensa hidráulica es una aplicación del principio de Pascal. Consta de dos émbolos de distintos diámetros, en sendos recipientes, los cuales están intercomunicados por un tubo.
La presión de un líquido se transmite a todos los puntos del mismo y a las paredes del recipiente que los contiene. La presión es perpendicular a la superficie. Por medio de uno de los émbolos se puede ejercer una presión en el líquido (agua o aceite contenido en el aparato). De acuerdo con el principio de Pascal, esta presión se transmite al otro émbolo con la misma intensidad, por lo que éste debe subir. Para que los émbolos mantengan la misma posición, ambos deben ejercer la misma presión sobre el líquido.
Es decir, la presión que sobre el líquido ejerce el émbolo mayor es p= F/S, donde F es la fuerza que actúa y S es la superficie del émbolo mayor.
La presión que sobre el líquido ejerce el embolo menor es f/s donde f es la fuerza que actúa y s es la superficie del émbolo menor.
Entonces, si las presiones que ejercen ambos émbolos han de ser iguales tenemos que: F = f; S= s en donde: F= fuerza en el émbolo de mayor superficie; S= superficie del émbolo mayor; f= fuerza en el émbolo de menor superficie; s= superficie del émbolo menor.
– La prensa hidráulica es un dispositivo que tiene varias aplicaciones técnicas, porque la fuerza que ejerce en el émbolo menor se multiplica en el émbolo mayor, de tal manera que la fuerza resultante es mucho mayor que la fuerza aplicada.
– En el elevador de autos, el émbolo menor envía por un tubo aceite a presión hasta un gran cilindro, donde levanta un émbolo de gran superficie que destaca sobre el aceite.
– En el sistema de frenos hidráulicos de un automóvil, la acción del pedal de freno desaloja aceite del cilindro. Éste se distribuye uniformemente entre los tubos que van a las ruedas y allí comprime las balatas contra los tambores de freno, ejerciendo igual presión en las cuatro ruedas.
Principio de Arquímedes
El hecho de que algunos objetos puedan flotar o que parezcan ser más ligeros cuando se sumergen en un líquido, se debe a una fuerza ascendente que ejercen los fluidos sobre los cuerpos total o parcialmente sumergidos en ellos. Fue el sabio griego Arquímedes (287- 212 a.C) quien primero estudió este fenómeno, el cual se conoce precisamente como principio de Arquímedes. Este principio establece que: todo cuerpo sumergido en un fluido sufre un empuje hacia arriba con una fuerza igual al peso del fluido que se desplaza.
Supongamos que un recipiente flota en un líquido; la posición del recipiente que se encuentra sumergido en el líquido está desplazando hacia los lados un volumen de líquido igual a esa posición sumergida.
De esta manera, la misma fuerza que sostenía el peso de esa posición de líquido desplazada, sostiene ahora el recipiente, es decir, la fuerza de empuje hidrostática es igual al peso del líquido desplazado. Para poder explicar el fenómeno imaginemos un cuerpo, de forma cualquiera, sumergido en un líquido; el cual ejerce fuerza en torno del cuerpo debido a la presión hidrostática; la presión es mayor en los puntos que se encuentran a mayor profundidad.
El empuje hidrostático es igual al peso del líquido desplazado por un cuerpo; si el peso de éste es igual al peso del volumen del líquido que desplaza, entonces se mantiene en equilibrio dentro del líquido. Existe una fuerza de flotación resultante hacia arriba llamado empuje hidrostático.
El hecho de que un cuerpo flote o se hunda depende de su peso (hacia abajo), y de la magnitud de empuje hidrostático (hacia arriba), si el peso de su cuerpo es mayor que el peso del líquido que desplaza, el cuerpo se hunde.
Si el peso es menor que el peso del líquido que desplaza, entonces el cuerpo flota.
Si el peso del cuerpo y el peso del líquido que desplaza son iguales, entonces se mantiene en equilibrio dentro del líquido. Para calcular el valor del empuje hidrostático es necesario considerar el volumen del cuerpo sumergido (el cual será el volumen del líquido desplazado) y el peso específico del líquido. A mayor volumen de líquido desplazado el empuje es mayor; a mayor peso específico, mayor empuje también. Empuje hidrostático es igual a peso específico por volumen. E = PeV
El submarino
Dícese del buque que puede sumergirse y navegar bajo el agua. Esta definición general es relativamente moderna; a principios del siglo XIX aún se distinguían tres tipos de buques submarinos:
– sumergible: buque con buenas cualidades para navegar en superficie, que sólo se sumerge ocasional- mente y dispone de una elevada flotabilidad, superior al 30%.
– submarino: buque especialmente diseñado para navegar en inmersión, que sólo navega accidentalmente en superficie, con muy malas cualidades marineras y una flotabilidad muy reducida, del 6 al 10 %.
– superinmersión: especialmente construido para sumergirse dejando la parte alta de la superestructura a flor de agua.
En el submarino moderno se han reducido estas tres características; de aquí lo innecesario de la clasificación y la adopción generalizada de submarino.
Principios de flotabilidad
El hecho de que un submarino pueda flotar, tanto en superficie como en inmersión, se debe a la existencia de dos fenómenos físicos, que se enuncian bajo los nombres de “principio de Pascal” y “principio de Arquimedes”.
Principio de Pascal aplicado a un submarino
Sobre cada punto del casco de un submarino sumergido, ejerce el agua una presión perpendicular a la superficie del casco en dicho punto y cuyo valor expresado en kgs/cm2, es igual a la décima parte del que expresa en metros la profundidad del punto considerado con respecto a la superficie del mar. Estos valores son en kgs/ cm2, la décima parte de los que expresan, en metros, las profundidades de los puntos considerados (100psi =7 kgs/ cm2).
Cuanto más profundo esté un punto del casco mayor será el valor de la presión hidrostática en él.
Esto indica que en virtud del principio de Pascal, el submarino tiende a subir hacia la superficie y en dirección perpendicular a ésta.
Principio de Arquímedes aplicado a un submarino
Puede enunciarse diciendo: todo submarino a flote experimenta un empuje hacia arriba, cuyo valor expresado en toneladas es igual al peso (expresado también en toneladas) del volumen de agua desalojado por el submarino.
El mencionado empuje no es sino la fuerza “f” cuya existencia se deduce mediante el principio de Pascal.
El principio de Arquímedes nos permite calcular el valor de esta fuerza (empuje), pesando el volumen de agua desalojado por el submarino.
Centro de gravedad
En el punto anterior se ha visto que si se pesa un submarino, por medio de un dinamómetro gigante, se obtiene un peso “p”. Este peso “p” es igual a la suma de los pesos del casco, equipos, instalaciones, víveres, dotación, etc. y, como sucedía con el empuje, puede suponerse también concentrado en un punto interior del buque, que en este caso se denomina “centro de gravedad”.
