UNIDAD 1
1. Hidrostática
Es la parte de la física que se encarga del estudio de fluidos en reposo como puede ser el agua almacenada en una piscina o en una presa.
1.1. Presión 
Si tomamos un lápiz y un libro los cuales debemos ubicarlos sobre nuestra mano de tal manera que el lápiz se ubique en la mitad de libro y la mano, las posibles maneras de lograr esto serán:
Si se analiza la anterior practica se nota que la fuerza que ejerce el peso del libro es igual en todos los casos y lo que varia es, el área de contacto mano-lápiz. En ( a ) el lápiz se ubica horizontalmente y no produce dolor en la mano, en ( b ), el lápiz se encuentra vertical, pero el apoyo sobre la mano a un es grande puesto que es el borrador y no genera demasiado dolor sobre la mano y en ( c ) el lápiz se encuentra vertical pero el punto de apoyo sobre la mano es la punta y aquí la mano si sufre dolor. Esto es causado por la presión la cual es mayor cuando menor sea el área a la cual se aplique una determinada fuerza, de tal manera que se cumple con la siguiente expresión.
Aunque se utilizo un método mecánico para representar la presión, la expresión encontrada es igualmente valida para el estudio de líquidos y gases Ejemplo: Calcule la presión que ejerce un clavo cuya punta tiene un área de 0.05 mm2 , cuando sobre su cabeza se golpea con un martillo que ejerce una fuerza de 4 N. Primero se deben pasar las unidades a un mismo sistema.
1.1.1. Presión
hidrostática
En todo recipiente que se encuentre ocupado de algún tipo de liquido existirá una presión (hidrostática) la cual va depender además de las características del liquido de la profundidad a la que se quiera calcular. Para encontrar una expresión para la presión consideremos un recipiente lleno de agua, en el cual se toma un cilindro de agua de área A y altura h como muestra la figura.
La presión que ejerce el agua sobre la parte superior del cilindro es igual a.
Se reemplaza en la expresión anterior.
Y la presión de la parte inferior del cilindro es igual a la presión de la parte superior más la presión que ejerce la profundidad h, luego.
Considerando que el nivel del agua se toma como nivel de referencia la presión Ps será la presión atmosférica Po y la presión en Pi en cualquier punto del liquido es:
1.1.2. Presión
atmosférica
Es debido así a la presión que ejerce la atmósfera terrestre, la cual está compuesta de nitrógeno, oxigeno, argón, anhídrido carbónico y otros gases, los cuales se ubican de acuerdo a su densidad, los más livianos sobre los más pesados.
La presión atmosférica actúa sobre todo cuerpo que se encuentre en está. Para encontrar el valor de tal presión se utiliza el experimento realizado por Evangelista Torricelli que consistía en tomar un tubo largo de vidrio el cual se llenaba totalmente con mercurio y tapando uno de los extremos lo ubicaba sobre una cubeta que también contenía mercurio, al retirar el tapón del tubo observó que el mercurio no sale completamente del tubo debido a la presión que ejerce la atmósfera.
Dicha presión se puede encontrar midiendo la altura del mercurio que queda dentro del tubo, cuyo valor de 0.76 m o 76 cm.
Este valor de la presión atmosférica es para el nivel del mar el cual disminuirá a mayor altura y aumentará a menor altura.
1.2. Principio
de pascal
Principio planteado por Blas Pascal y consiste en que cuando se aplica una presión a cualquier liquido que se encuentra almacenado en un recipiente, esta presión se transmite a todos los puntos del liquido, también a las paredes del recipiente.
Una de las grandes utilidades que tiene este principio es el gato hidráulico que se muestra en la siguiente figura.
Consta de dos tubos de diferente área, comunicados como se indica a continuación.
De la descripción del principio de Pascal, el área debe ser igual en cada extremo, esto es, la presión en la parte inicial 1 debe ser igual a la presión en la parte 2.
Ejemplo: Calcular la fuerza que se debe aplicar en el extremo de un gato que tiene un radio de 3 cm ( el otro extremo tiene radio de 25 cm) para lograr levantar un carro que pesa 15 000 N
Luego la fuerza que se debe aplicar es de 216 N
1.3. Principio de Arquímedes
Principio que afirma que todo cuerpo que se encuentre total o parcialmente sumergido en un liquido experimentará una fuerza llamada empuje, la cual será igual al peso del volumen de liquido desplazado ( el volumen del cuerpo que está sumergido) Esta fuerza es la que permite que un determinado cuerpo flote. Consideremos un cuerpo que flota, el cual esta bajo la acción de las fuerzas que indica la gráfica.
Que de acuerdo a la condición de equilibrio se tiene que la fuerza E es igual a mg
E = mg
Que de acuerdo a la expresión se puede concluir que cuando el peso es mayor que la fuerza de empuje el cuerpo se hunde, cuando son iguales el cuerpo flota dentro del interior del liquido y cuando el empuje es mayor que el peso el cuerpo flotara en el liquido.
Ejemplo:
Luego.
Comparando los dos resultados se puede ver que el mercurio ejerce mayor fuerza de empuje sobre la esfera.
1.4. Hidrodinámica
Es la parte de la física que se encarga del estudio de los líquidos en movimiento, Cuando un liquido está en movimiento adquiere cualidades diferentes a las estudiadas en hidrostática, pues se convierte en un liquido estacionario que se caracteriza porque todo el líquido o fluído se mueve con igual velocidad en cualquier punto del movimiento.
Cuando esta velocidad sobrepasa un determinado valor conocido con el nombre de velocidad critica, se dice que el fluído se vuelve turbulento o no estacionario en donde se forman remolinos como puede ser la formación de rápidos.
Otra característica de los fluidos es la viscosidad la cual se relaciona con la fricción interna que presenta el líquido cuando hay movimiento. Gracias a la viscosidad de algunos fluídos se evita el rozamiento el cual produce calor deteriorando piezas como pueden ser los pistones del motor de un auto.
Para el estudio que realizaremos se deben considerar un fluído ideal el cual se caracteriza por ser.
Estacionario.
No viscoso.
Incompresible.
Irrotacional.
Estacionario : La velocidad es constante para cualquier tiempo.
No viscoso: Se considera que el fluido no presenta resistencia interna.
Incompresible : El volumen del fluido es invariable.
Irrotacional: El fluido no genera giro sobre el centro de gravedad de cualquier partícula que se ubique en el mismo.
1.4.1. Ecuación de continuidad
Partiendo del hecho que la cantidad de líquido o fluido que se vierte en una tubería debe ser igual a la que salga, sin importar las características de la tubería, se tiene que si se vierte agua en el tubo de la figura por la sección transversal (área) A1 con una velocidad v1 debe ser la misma cantidad de agua que sale por la sección transversal A2 con una velocidad v2 .
Del principio anterior, se tiene que:
La anterior expresión es la ecuación de continuidad. La cual afirma que el producto relación de velocidad y área que represe un liquido en una tubería será siempre constante.
Ejemplo:
(los cuales deben estar en el mismo sistema de unidades)
Utilizando la ecuación de continuidad se tiene que:
Obsérve que la velocidad de salida es el doble de la velocidad de entrada.
1.4.2. Teorema de Bernoulli
Se le ha denominado ley de conservación de la energía en líquidos. Afirma que la energía realizada en un sistema, es igual al trabajo efectuado por el liquido, más las variaciones de energía poténcial y cinética, entendiéndose que el sistema de la tubería o medio en donde se mueve el fluido. Consideremos la siguiente gráfica.
Del anterior enunciado se tiene que:
Vamos a considerar que el trabajo que se hace sobre el sistema es la parte 1 y el trabajo realizado por el sistema es la parte 2
Remplazando las definiciones de trabajo y energía se tiene.
La aplicación tal vez más importante es la utilizada en aeronáutica pues utilizando este principio se puede explicar el porque se logra sostener un avión en vuelo o el planear de un ave.
La figura muestra el corte transversal de un ala de avión en una corriente de viento.
En la figura se ve que el ala corta el viento de tal forma que el viento que circula en la parte superior recorre mayor distancia que la inferior, generando de está manera una diferencia de presiones entre las parte superior y la inferior del ala en donde la presión de la parte superior es menor que la inferior (P=F/A a mayor área menor presión) debido a esto el aire se acelera más en esta región (superior), aumentando la velocidad y produciendo una fuerza llamada de sustentación hacia arriba la cual sostiene el avión.
Considerando.
