Concepto de FUERZA

FUERZA

En física, la fuerza es una magnitud vectorial que mide la razón de cambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas.

 Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales. No deben confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía.

En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de la fuerza es el newton que se representa con el símbolo N, nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su aportación a la física, especialmente a la mecánica clásica. 

El newton es una unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades que se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s² a un objeto de 1 kg de masa.

Es un modelo matemático de intensidad de las interacciones, junto con la energía. Así, por ejemplo, la fuerza gravitacional es la atracción entre los cuerpos que tienen masa, el peso es la atracción que la Tierra ejerce sobre los objetos en las cercanías de su superficie, la fuerza elástica es el empuje o tirantez que ejerce un resorte comprimido o estirado, respectivamente, etcétera. En física, hay dos tipos de ecuaciones de fuerza: las "de causas", en las cuales se especifica el origen de la atracción o repulsión.

HIDRODINÁMICA

La hidrodinámica es la rama de la hidráulica que estudia la dinámica de los fluidos.

Para el estudio de la hidrodinámica se pueden considerar diferentes aproximaciones, dependiendo del problema que se vaya a abordar, como por ejemplo las siguientes:

• en muchos casos, los cambios de densidad en los fluidos se pueden despreciar, por lo que se puede considerar que el fluido a estudiar es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión. Por esta misma razón, dicha aproximación no se suele utilizar para modelar gases;
• en algunos casos (en bastantes casos macroscópicos o en hidrodinámica cuántica) se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya que la pérdida de energía debido a ésta es mucho menor que la debida a la inercia de su movimiento;
• en muchos casos, se puede suponer que el flujo de los líquidos alcanza un régimen estable denominado régimen estacionario, en el que la velocidad del líquido en cualquier punto es independiente del tiempo.

La hidrodinámica tiene aplicaciones en múltiples escalas que van desde la escala nanoscópica a la macroscópica.

Algunos ejemplos donde podemos observar la hidrodinámica son:

• Velero Navegando.
• Turbina Hidráulica.
• Circulación de Agua por Tuberías.
• Esquí Acuático.
• Gatos Hidráulicos.
• Grúas de transporte.
• Amortiguadores.
• Frenos.

ECUACIÓN DE CONTINUIDAD 

 La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservación de la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda la conducción.
Dado que el caudal es el producto de la superficie de una sección del conducto por la velocidad con que fluye el fluido, tendremos que en dos puntos de una misma tubería se debe cumplir que:

Que es la ecuación de continuidad y donde:
S es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto.
v es la velocidad del flujo en los puntos 1 y 2 de la tubería.
Se puede concluir que puesto que el caudal debe mantenerse constante a lo largo de todo el conducto, cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta en la misma proporción y viceversa.
En la imagen de la derecha puedes ver como la sección se reduce de A1 a A2. Teniendo en cuenta la ecuación anterior:

Es decir la velocidad en el estrechamiento aumenta de forma proporcional a lo que se reduce la sección.

EJERCICIO RESUELTO

Un caudal de agua circula por una tubería de 1 cm de sección interior a una velocidad de 0,5 m/s.  Si deseamos que la velocidad de circulación aumente hasta los 1,5 m/s, ¿qué sección ha de tener  tubería que conectemos a la anterior?

Aplicando la ecuación de continuidad:

Sustituyendo por la expresión de la superficie del círculo:

Simplificando y despejando:

 Sustituyendo:

GASTO VOLUMETRICO 

 El caudal volumétrico o tasa de flujo de fluidos es el volumen de fluido que pasa por una superficie dada en un tiempo determinado. Usualmente es representado con la letra Q mayúscula.

Algunos ejemplos de medidas de caudal volumétrico son: los metros cúbicos por segundo (m³/s, en unidades básicas del Sistema Internacional) y el pie cúbico por segundo (cu ft/s en el sistema inglés de medidas).

Dada un área A, sobre la cual fluye un fluido a una velocidad uniforme v con un ángulo ${\displaystyle \theta }$ desde la dirección perpendicular a A, la tasa del caudal volumétrico es:

${\displaystyle Q=A\cdot v\cdot \cos \theta }$

En el caso de que el caudal sea perpendicular al área A, es decir, ${\displaystyle \theta =0}$, la tasa del flujo volumétrico es:¹​

${\displaystyle Q=A\cdot v}$

EJEMPLO:

 Calcular el gasto de agua que pasa a través de una tubería al fluir 1.8 m³ en medio minuto.

Solución: Lo primero que haremos será analizar nuestros datos:

G = ?

V = 

t = 

Aplicando la fórmula de Gasto:

PRENSA HIDRÁULICA 

 La prensa hidráulica es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferentes áreas que, mediante una pequeña fuerza sobre el pistón de menor área, permite obtener una fuerza mayor en el pistón de mayor área. Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores.

Se componen de un depósito de gran resistencia que posee dos aberturas, una de superficie mayor (S1) y otra de menor (S2). Dicho depósito se rellena con un fluido como puede ser aceite o incluso agua y en cada abertura se sitúa un émbolo. Al grande lo llamaremos E1 y al pequeño E2.

Si se aplica una fuerza sobre el émbolo pequeño E2, introduciéndolo en el recipiente, la presión se transmite íntegramente a todo el líquido, haciendo que el émbolo grande E1 ascienda con una fuerza mayor que la aplicada en S2. Pero... ¿Por qué?

Si llamamos P1 a la presión del émbolo E1 y P2 al émbolo de E2, como la presión se transmite de igual forma en todos los puntos del fluido, se cumple que P1 = P2, o lo que es lo mismo:

F1S1=F2S2 ⇒F1=F2⋅S1S2KLÑHJMJHJLÑLÑKLÑOI

Si te das cuenta, la fuerza del émbolo grande, será la del pequeño pero amplificada una cantidad equivalente al cociente de ambas superficies.

Al igual que este principio se utiliza para levantar vehículos, también se usa en los sistemas de frenos (al pisar al pedal, se aplica una fuerza mayor a las ruedas para que disminuyan su velocidad) o incluso para prensar materiales con poco esfuerzo.

TEOREMA DE BERNOULLI

El teorema de Bernoulli es una aplicación directa del principio de conservación de energía. Con otras palabras está diciendo que si el fluido no intercambia energía con el exterior (por medio de motores, rozamiento, térmica...) esta ha de permancer constante.

El teorema considera los tres unicos tipos de energía que posee el fluido que pueden cambiar de un punto a otro de la conducción. Estos tipos son; energía cinética, energía potencial gravitatoria y la energía debida a la presión de flujo (hidroestática). Veamos cada una de ellas por separado:

Energía cinética (hidrodinámica)	Debida a la velocidad de flujo
Energía potencial gravitatoria	Debida a la altitud del fluido
Energía de flujo (hidroestática)	Debida a la presión a la que está sometido el fluido

• v es la velocidad de flujo del fluido en la sección considerada.

• g es la constante de gravedad.

• h es la altura desde una cota de referencia.

• p es la presión a lo largo de la línea de corriente del fluido (p minúscula).

• ρ es la densidad del fluido.

Por lo tanto el teorema de Bernoulli se expresa de la siguiente forma:

Donde:

• v es la velocidad de flujo del fluido en la sección considerada.
• g es la constante de gravedad.
• h es la altura desde una cota de referencia.
• p es la presión a lo largo de la línea de corriente del fluido (p minúscula).
• ρ es la densidad del fluido.