Propiedades de los fluidos
Las propiedades de los fluidos (densidad, presión, viscosidad, tensión superficial y compresibilidad) describen cómo se comportan líquidos y gases.
Los fluidos son sustancias, líquidas o gaseosas, que no tienen forma propia y fluyen cuando se les aplica una fuerza tangencial. Sus propiedades más importantes son la densidad, la presión, la viscosidad, la tensión superficial, la capilaridad y la compresibilidad. Conocerlas permite explicar desde por qué flota un barco hasta cómo circula la sangre por las arterias o el aire alrededor de un ala.
¿Qué es un fluido?
Un fluido es un medio continuo que se deforma sin límite bajo la acción de esfuerzos cortantes, por pequeños que sean. Incluye a los líquidos, que tienen volumen propio y son casi incompresibles, y a los gases, que se expanden hasta ocupar todo el recipiente. Su estudio es la mecánica de fluidos, con dos ramas: la estática de fluidos (hidrostática), en reposo, y la dinámica de fluidos (hidrodinámica), en movimiento.
Densidad
La densidad es la masa por unidad de volumen:
Se mide en kg/m³. A 20 °C, el agua tiene una densidad de unos 998 kg/m³ (se toma 1 000 kg/m³ en cálculos sencillos), el mercurio unos 13 600 kg/m³ y el aire seco unos 1,2 kg/m³. La densidad de los líquidos varía poco con la presión, pero la de los gases cambia mucho. Su relación con el peso se recoge en el peso específico, γ = ρ·g.
Presión
La presión es la fuerza normal por unidad de superficie, p = F/A, y se mide en pascales (1 Pa = 1 N/m²). En un fluido en reposo, la presión aumenta con la profundidad según la ecuación fundamental de la hidrostática:
donde p₀ es la presión en la superficie (la atmosférica, unos 101 325 Pa, si el fluido está al aire), g ≈ 9,8 m/s² y h la profundidad. Dos consecuencias importantes:
- Principio de Pascal: un cambio de presión aplicado a un fluido encerrado se transmite íntegramente a todos sus puntos. Es el fundamento de prensas y frenos hidráulicos.
- Principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja, E = ρ·g·V.
Viscosidad
La viscosidad mide la resistencia de un fluido a fluir, es decir, el rozamiento interno entre sus capas. Un fluido newtoniano cumple la ley de Newton de la viscosidad: el esfuerzo cortante es proporcional al gradiente de velocidad, τ = η·(dv/dy). La viscosidad dinámica η se mide en Pa·s.
| Fluido (20 °C) | Viscosidad dinámica aproximada |
|---|---|
| Aire | 1,8 × 10⁻⁵ Pa·s |
| Agua | 1,0 × 10⁻³ Pa·s |
| Aceite de oliva | ≈ 0,08 Pa·s |
| Glicerina | ≈ 1,4 Pa·s |
| Miel | varios Pa·s |
En los líquidos la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura (la miel caliente fluye mejor); en los gases ocurre lo contrario. Los fluidos no newtonianos, como la pasta de dientes, el ketchup o la mezcla de maicena con agua, tienen una viscosidad que depende de la fuerza aplicada.
Tensión superficial y capilaridad
En la superficie de un líquido, las moléculas son atraídas hacia el interior por las fuerzas de cohesión, lo que hace que la superficie se comporte como una película elástica. Esa tensión superficial vale unos 0,072 N/m en el agua a 20 °C. Explica que las gotas sean esféricas, que algunos insectos caminen sobre el agua y que un jabón rebaje esa tensión.
La capilaridad es el ascenso o descenso de un líquido en tubos muy finos por la competencia entre cohesión (entre moléculas del líquido) y adhesión (con las paredes). Gracias a ella el agua sube por el papel secante y, en parte, por el interior de las plantas.
Compresibilidad
La compresibilidad indica cuánto cambia el volumen de un fluido al variar la presión. Los líquidos son casi incompresibles: el agua reduce su volumen solo un 0,005 % por cada atmósfera de aumento de presión, aproximadamente. Los gases, en cambio, se comprimen con facilidad, lo que permite almacenarlos en botellas y utilizarlos en neumáticos y sistemas neumáticos.
Fluidos en movimiento
- Ecuación de continuidad: en un fluido incompresible, el caudal se conserva: A₁·v₁ = A₂·v₂. Si la tubería se estrecha, el fluido acelera.
- Ecuación de Bernoulli: para un fluido ideal, p + ½·ρ·v² + ρ·g·h = constante a lo largo de una línea de corriente. Explica en parte la sustentación de un ala y el funcionamiento de un pulverizador.
- Régimen laminar y turbulento: en el primero las capas se deslizan ordenadamente; en el segundo aparecen remolinos. Se distinguen mediante el número de Reynolds.
Ejemplos y aplicaciones
- Presas, depósitos y tuberías, diseñados con la presión hidrostática.
- Barcos y submarinos, basados en el principio de Arquímedes.
- Gatos, frenos y excavadoras hidráulicas (Pascal).
- Aeronáutica, con el diseño de alas y turbinas.
- Medicina: la circulación sanguínea, con una viscosidad de la sangre unas 3 a 4 veces la del agua.
- Lubricantes, pinturas y alimentos, cuya viscosidad se controla en la industria.
Ejercicios resueltos
1. Un buzo desciende a 10 m de profundidad en agua dulce. ¿Qué presión manométrica y absoluta soporta? (ρ = 1 000 kg/m³, g = 9,8 m/s², p₀ = 101,3 kPa)
Presión manométrica: ρ·g·h = 1 000 · 9,8 · 10 = 98 000 Pa = 98 kPa. Presión absoluta: 101,3 + 98 ≈ 199 kPa, casi el doble que en la superficie.
2. Medio litro (500 mL) de un líquido tiene una masa de 0,40 kg. ¿Cuál es su densidad?
V = 500 mL = 5 × 10⁻⁴ m³. ρ = m/V = 0,40 / 5 × 10⁻⁴ = 800 kg/m³, menos densa que el agua (por ejemplo, un aceite o un alcohol).
3. Un objeto de 2 litros de volumen se sumerge por completo en agua. ¿Qué empuje recibe?
V = 2 L = 2 × 10⁻³ m³. E = ρ·g·V = 1 000 · 9,8 · 2 × 10⁻³ = 19,6 N.
4. En una prensa hidráulica, el émbolo pequeño tiene 0,01 m² y el grande 0,5 m². Si se aplican 200 N en el pequeño, ¿qué fuerza se obtiene en el grande?
Por Pascal, F₁/A₁ = F₂/A₂. F₂ = F₁·A₂/A₁ = 200 · 0,5 / 0,01 = 10 000 N.
5. Por una tubería de 5 cm de diámetro el agua circula a 2 m/s. Si se estrecha a 2,5 cm de diámetro, ¿a qué velocidad circula?
El área es proporcional al cuadrado del diámetro, así que A₁/A₂ = (5/2,5)² = 4. Por continuidad, v₂ = v₁·A₁/A₂ = 2 · 4 = 8 m/s.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un fluido?
Una sustancia que fluye y adopta la forma de su recipiente. Los líquidos y los gases son fluidos; la diferencia es que los líquidos tienen volumen propio y los gases tienden a ocupar todo el espacio disponible.
¿Por qué aumenta la presión con la profundidad?
Porque en cada nivel hay que sostener el peso de la columna de fluido que está por encima. La presión crece linealmente con la profundidad: p = p₀ + ρ·g·h.
¿Qué diferencia hay entre densidad y viscosidad?
La densidad es masa por unidad de volumen; la viscosidad es la resistencia a fluir. Son independientes: el aceite es menos denso que el agua pero mucho más viscoso.
¿Qué es un fluido ideal?
Un modelo sin viscosidad, incompresible y con flujo estacionario. No existe en realidad, pero simplifica los cálculos y da buenos resultados en muchos casos, como la ecuación de Bernoulli.
¿Por qué flotan los barcos de acero?
Porque su casco hueco desaloja un gran volumen de agua. Mientras el empuje de Arquímedes iguale al peso total del barco, este flota, aunque el acero sea más denso que el agua.
Referencias
- White, F. M. Mecánica de fluidos. McGraw-Hill.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
- Çengel, Y. A. y Cimbala, J. M. Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones. McGraw-Hill.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2023). «Propiedades de los fluidos». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/propiedades-de-los-fluidos/
