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Hidrodinámica

En el siguiente recurso encontrarás información acerca de la hidrodinámica. Podrás estudiar lo que sucede cuando los fluidos se mueven en relación a un conducto y cuando un objeto se mueve en relación a ellos.

Hidrodinámica

En este capítulo estudiaremos lo que sucede cuando los fluidos se mueven en relación a un conducto y cuando un objeto se mueve en relación a ellos. El personaje central de esta apasionante historia es Daniel Bernoulli, cuyo perfil podemos ver en el recuadro de la figura 80.

Figura ochenta: Algunos datos sobre Daniel Bernoulli

Las leyes de Bernoulli

A continuación se propone una serie de observaciones y experimentos simples de realizar.

a) Al soplar por encima de una hoja de papel dispuesto horizontalmente bajo la boca, como se indica en la figura 81, el papel se levanta. Una variante de este experimento consiste en soplar por el espacio que hay entre dos globos ligeramente separados. Como lo indica la figura 82, los globos se juntan.

Figura ochenta y uno: persona soplando una hoja dispuesta horizontalmente. Figura ochenta y dos: persona soplando por el espacio que hay entre dos globos

b) Si se sopla por una pajilla doblada sobre una abertura de modo que funcione como atomizador, tal como se ilustra en la figura 83, el agua asciende por la pajilla vertical inmersa en ella.

Figura ochenta y tres: persona soplando una pajilla doblada sobre una abertura de modo que funciona como atomizador

c) Si se afirma con un dedo una pelota de pimpón en un embudo (preferiblemente transparente) y justo cuando soples fuertemente por el vástago del embudo se saca el dedo, la pelotita, en vez de caer, se mantiene dentro del embudo, como muestra la figura 84.

Figura ochenta y cuatro: persona soplando un embudo y una pelota pequeña de forma invertida, la pelota se mantiene en su sitio y no se cae

d) Con un secador de pelo se puede mantener flotando en el aire una pelotita de pimpón del modo que se ilustra en la figura 85. Cuando la pelota está en equilibrio, al mover el chorro de aire de un lado a otro, la pelota sigue al chorro y continúa en equilibrio. Si se inclina un poco el chorro de aire, constatarás que tampoco cae.

Figura ochenta y cinco: secador de pelo soplando hacia arriba y manteniendo una pelota en el aire

e) Cuando uno camina por la orilla de una carretera y pasa un bus o un camión muy grande y muy rápido, ¿qué se siente? Una fuerza empujará hacia la carretera y uno puede caer sobre ella, especialmente si se va en bicicleta.

f) Al acercar una pelota que cuelga de un hilo al chorro de agua que sale de una llave se observa que la pelota puede mantenerse en equilibrio en la posición que se indica en la figura 86; es decir, parece que el flujo de agua y la pelota se atraen.

Figura ochenta y seis: pelota que se acerca a un chorro de agua

Todas estas situaciones tienen algo en común: fluidos en rápido movimiento. ¿Qué ocurre con la velocidad de un fluido que se mueve por un tubo en que cambia su sección, por ejemplo, al pasar de una cañería gruesa a otra más delgada?

Figura ochenta y siete: ejemplos de jeringas tirando un chorro de agua

La figura 87 ilustra bien esta idea. Si presionamos de igual manera el pistón de dos jeringas idénticas, una sin aguja y otra con aguja, podremos apreciar que el líquido sale mucho más veloz en el segundo caso; es decir, cuando la sección del conducto es menor. En realidad, la rapidez v con que se mueve el fluido es inversamente proporcional a la sección A de la cañería. Ello ocurre igual con el agua que fluye por un río o canal, que se mueve más rápido en los lugares en que éste es más angosto o menos profundo. Este fue el primer descubrimiento de Bernoulli, el cual puede expresarse diciendo que:

V • A = constante

Rapidez  de flujo de fluido: cantidad de flujo que fluye en un sistema por unidad de tiempo. Se puede expresar como rapidez de flujo de volumen (Q): que es el volumen de flujo de fluido que pasa por una sección por unidad de tiempo (más conocida como CAUDAL).
Q = v · A
v: velocidad promedio del flujo
A: área de la sección transversal

La ecuación de continuidad

Si un fluido fluye desde la sección transversal A1 hacia una sección transversal A2 con rapidez constante, es decir, si la cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un cierto tiempo dado es constante, entonces la masa M de fluido que pasa por la sección A2 en un tiempo dado debe ser la misma que la que fluye por la sección A1, en el mismo tiempo. Entre las secciones A1 y A2 no hay ni generación ni acumulación de masa por unidad de tiempo, esto es:

M1=M2

Como M = p · v · A, entonces:

? 1 · v1 · A1 = ?2 · v2 ·A 2

Si el fluido que circula entre las secciones A1 y A2 es incompresible (?1=?2), la ecuación de continuidad se expresa por:

v1 · A1 =  v2 · A2   [1]

Q 1 = Q 2

Supongamos que un flujo de agua viaja con una rapidez de 50 cm/s por una cañería de sección 6 cm2, según se indica en la figura 8. Si la cañería se hace más angosta, de modo que su sección se reduce a 2 cm2, ¿con qué rapidez se moverá en esta zona?

Figura ochenta y ocho: ejemplo de un flujo de agua viaja por una cañería de distintas secciones

Aplicando la relación [1] tenemos que:

v1 · A1 = v2 · A2

V1*A1=V2*A2

V2=(V1*A1)/A2

Reemplazando los valores, tenemos:

V2= (6 cm2 * 50 cm/s)/2 cm2
V2= 150 cm/s

Por lo tanto, en la sección mas angosta la rapidez del fluido corresponde a 150 cm/s.

foto color
            EL ALA DEL AVIONLa particular forma del ala de un avión hace que, al cortar el aire, éste se mueva a una mayor rapidez en la parte de arriba que en la de abajo. Este comportamiento está regido por la ley de Bernoulli, que nos indica, además, que esto traerá una disminución en la presión, lo que finalmente hará que el avión se levante del suelo.Ir a la actividad
Guía del docente: EL ALA DEL AVION


Descripción curricular:

- Nivel: 3.º Medio 

- Subsector: Ciencias físicas

- Unidad temática: Los fluidos

- Palabras clave: presión, velocidad, sustentación 

- Contenidos curriculares: Fluidos: hidrodinámica

- Expresión de Daniel Bernoulli para la conservación de la energía en

  un fluido. Discusión y aplicaciones a situaciones como la

  sustentación de los aviones, los sistemas de regadío, etc.

 

- Contenidos relacionados:

- 2.º Medio:

El movimiento: fuerza y movimiento.

La Tierra y su entorno: ley de gravitación.

 

- 3.º Medio:

Mecánica: movimiento circular.

Fluidos: presión hidrostática.

 

- Aprendizajes esperados:  

- Utilizan el principio de Bernoulli para explicar, por ejemplo, la sustentación de

  los aviones.

- Conocen aspectos biográficos de quienes desarrollaron la física de los fluidos.

 

Aprendizajes esperados de esta actividad: 

- Comprender la ley de Bernoulli. 

- Relacionar una disminución de la presión con una disminución en la fuerza.

- Comprender el funcionamiento de las alas de los aviones.

- Identificar aplicaciones de la ley de Bernoulli.

 

Recursos digitales asociados a educarchile.cl:

- Ficha temática: Hidrodinámica.

- Diapositivas digitales (ppt): Física NM3 “Fluidos”. 

 

Actividades propuestas para este tema: 

Los estudiantes podrán comprobar el fenómeno de sustentación de los aviones construyendo

dos modelos del ala de un avión. Al observar el fenómeno se hace la relación con la ley de

Bernoulli y la explicación que da esta ley a dicho fenómeno. Se propone una profundización

del tema en cuanto a la relación velocidad/presión y el resultado en las fuerzas que actúan

sobre el ala.

 

ACTIVIDAD: El ala del avión

 

2H

 

1. Mapa de contenidos tratados

 

mapa 

 

2. Desarrollo de la actividad “El ala del avión”

Para esta actividad los estudiantes deben contar con los siguientes

materiales: 

- Cartulina

- Cartón

- Pegamento

- Lana o cordel fino

- Una vara o palo de maqueta

- Un ventilador

 

Paso 1 

Comience la sesión anunciándoles que harán un experimento para

comprender la ley de Bernoulli y sus aplicaciones. Entregue la guía para el

estudiante disponible en educarchile.cl y comiencen la actividad. 

Durante la construcción de las alas de avión es importante que ambas sean

de exactamente los mismos materiales y dimensiones; de otra manera no

se podrá observar el fenómeno apropiadamente, dado que las alas tendrán

distinta masa.

 

Paso 2

Al confeccionar la balanza con las alas, se puede repasar contenidos de

movimiento circular y fuerzas, tales como eje de rotación y torque, para

lograr una correcta calibración de la balanza.

 

Paso 3

Al enfrentar las alas al ventilador es muy probable que la balanza gire.

Recuerde a los estudiantes que pueden ayudar a mantener la vara central

quieta, poniendo particular énfasis en que no deben mover la vara hacia

arriba o abajo al hacer esto. 

También es importante recalcar que el ala debe estar en el centro del flujo

de aire, y que éste no debe tocar la otra ala.

Los estudiantes deben observar que el ala que enfrenta al ventilador se

eleva respecto a la otra.

 

Paso 4

Haga un análisis conjunto de la forma del ala y oriente las observaciones y

conclusiones de manera que comprendan el hecho de que la curvatura en la

parte superior del ala causa un aumento en la velocidad del viento que pasa

por ella, mientas que en la parte inferior el flujo sigue igual.

 

Paso 5

Una vez terminada la experiencia, motívelos a seguir la lectura de la ficha

n.º 22: “Hidrodinámica”. Termine la actividad con una serie de preguntas.

Motívelos a contestarlas con sus propias palabras, después de leer la ficha.

Las respuestas deberían estar orientadas en las siguientes direcciones:

 

1.  ¿Cómo explicarías que un ala aparente ser “más liviana” que la otra

     al ser puesta frente al ventilador?

     Esta pregunta busca fomentar en los estudiantes la capacidad de

     observación y conclusión. Más allá de cuán correcta sea la respuesta,

     lo que se busca es que hagan un análisis apropiado del fenómeno

     observado.

 

2.  ¿El aire viaja más rápido por encima o por debajo del ala?

     Por arriba, dado que el camino que debe recorrer es mayor que abajo

     a causa de la curvatura del ala.

 

3.  De acuerdo con la ley de Bernoulli, ¿qué ocurre con la presión que

     ejerce el aire sobre el ala?

     Al aumentar la velocidad del viento se produce una disminución en la

     presión que ejerce este sobre el ala.

 

4.  ¿Cuál es la importancia de la forma del ala?

     Gracias a su forma, el ala obliga al aire a viajar más rápido por

     encima que por debajo de ella .

 

5.  ¿Cuál es la relación entre la presión que ejerce el aire en el ala y la

     fuerza que la levanta?

     Al disminuir la presión que se ejerce sobre el ala, también disminuye

     la fuerza hacia abajo, dado que la superficie del ala no ha cambiado.

     Como el flujo por debajo del ala no ha cambiado, la presión en este

     punto tampoco cambia. Esto hace que la fuerza resultante sea hacia

     arriba.

 

Paso 6

Cierre y concluya la actividad revisando las respuestas de los estudiantes y

aclarando las dudas que puedan surgir en este momento. 

Información

Técnica

Descripción BreveEn el siguiente recurso encontrarás información acerca de la hidrodinámica. Podrás estudiar lo que sucede cuando los fluidos se mueven en relación a un conducto y cuando un objeto se mueve en relación a ellos.
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¿Porqué vuela una avión?

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¿Quien sabe más?

IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
3° medioFísicaFuerza y movimiento

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