Alguna vez te has preguntado, ¿por qué un barco -aun pesando muchas toneladas- no se hunde en el agua, pudiendo mantenerse a flote de forma segura? ¿Por qué nosotros flotamos, y a su vez, a medida que nos hundimos para bucear sentimos mas presión alrededor de nuestro cuerpo y se nos dificulta movernos? La Física, en su especialidad de Mecánica de Fluidos, nos otorga la respuesta a través del concepto de la presión hidrostática.
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¿Qué es la presión hidrostática?
En primera instancia, la presión se puede definir como la fuerza que se ejerce en un sentido perpendicular sobre una superficie definida. Derivado de ello, la presión hidrostática es la fuerza que ejerce un fluido en reposo a su alrededor, debido a su propio peso; en consecuencia, dicha presión es independiente de:
- La masa del fluido
- Su volumen
- Su peso
Siendo -por el contrario- directamente proporcional a:
- La densidad del fluido que ejerce la presión
- La magnitud del valor de la aceleración de gravedad
- La profundidad del fluido
¿Cómo se calcula?
La magnitud de la presión hidrostática se puede determinar según la siguiente fórmula:
P= p x g x h
Donde:
- P= presión hidrostática de un fluido estático
- p= densidad del fluido
- g= aceleración de gravedad
- h= profundidad donde se ejerce la presión
Según el Sistema Internacional de Unidades, la unidad básica según la que se mide la presión hidrostática es el Pascal.
Como unidad de presión, un Pascal (Pa) puede a su vez ser definido en sus componentes, siendo equivalente a:
Pa= N/m2
Donde:
- N= Newtons; como unidad de fuerza que se necesita para que un objeto cuya masa es de 1 kg alcance una aceleración de 1 m/seg2.
- m2= unidad de superficie sobre la que se ejerce la presión.
Debido a que las magnitudes de medida de un Pascal son muy pequeñas para ser utilizadas en sentido práctico, normalmente la presión se mide en múltiplos de esta medida básica, siendo las mas comunes el kilo Pascal (kPa= 1000 Pa) y el Mega Pascal (MPa=106 Pa), o también los Bares (Bar= 105 Pa; aproximadamente equivalente a 1 ATM de presión atmosférica). También se suele medir en milímetros de mercurio (mm Hg), precisamente en el caso de la presión atmosférica (mm Hg= 133,322 Pa).
Un poco de historia
El concepto de presión hidrostática está directamente relacionado con algunos principios y leyes básicas de la Ciencia, que fueron descubiertas y postuladas por insignes sabios a lo largo de la historia de la cultura humana. Entre ellos tenemos:
- El Principio de Arquímedes, que reza así: “todo cuerpo sumergido en un fluido desaloja un volumen igual a su propio volumen”. Es un principio fundamental de la Física hidrostática e hidrodinámica que permite entender la flotabilidad y el hundimiento de cualquier cuerpo en un fluido determinado.
- El Principio de Pascal, que puede resumirse como: “la presión ejercida en cualquiera de los puntos de un fluido en estado de equilibrio, se transmite con una intensidad equivalente en todas las direcciones posibles”. Este principio es tan general, que se considera como una Ley de la Física, y se aplica en los innumerables modelos de ingeniería derivados de la prensa hidráulica.
- El Principio del barómetro de Torricelli, que permite medir la presión del aire atmosférico (como fluido) en cualquier parte del globo terráqueo. Se basa en el desplazamiento del mercurio como fluido -contenido dentro de una columna de vidrio- dependiendo de la presión que ejerce la masa de aire sobre esta columna a diferentes altitudes, tomando como punto base de referencia la presión sobre dicha columna medida al nivel del mar, considerada entonces como un valor estándar de 1 ATM (una atmósfera).
Algunas curiosidades de la vida cotidiana derivadas de la aplicación del concepto de presión hidrostática
La definición de la presión hidrostática y su medida son la base de innumerables procesos y diseños de ingeniería relacionados con nuestra vida cotidiana, y explica realidades a las que nos enfrentamos diariamente.
Entre los hechos mas curiosos que tienen que ver con la presión hidrostática que ejerce cualquier fluido, encontramos:
- El muy evidente principio de flotabilidad, que permite que no nos hundamos en el agua y que los barcos puedan navegar en el mar sin hundirse, a pesar de su enorme peso. En ambos casos, el factor que incide en la flotabilidad positiva es la densidad total del objeto que desplaza el volumen del fluido donde este está contenido.
- En contraposición a la propiedad de flotabilidad que muestran determinados objetos, la hidrostática también puede explicar el por qué somos capaces de bucear, y por qué quienes bucean deben tomar ciertas precauciones al hacerlo, debido a las fuerzas que se generan contra el cuerpo de los buzos producto de la presión hidrostática del agua, que se incrementa grandemente a medida que aumenta la profundidad.
- Como consecuencia de la combinación de ambas situaciones anteriores, la hidrostática también explica por qué un submarino es capaz de mantenerse y navegar tanto en la superficie del mar como por debajo de ella, así como su requerimiento de que el casco exterior esté reforzado para que la embarcación sea capaz de soportar la inmensa presión a la que es sometida cuando se sumerge, pudiendo llegar a ser de varias atmósferas.
- La resistencia de las paredes de los tanques contentivos de cualquier fluido, como piscinas, represas, tanques de agua, de petróleo, aceite, gas, etc., debe estar calculada precisamente con base en la presión hidrostática que ejercerá el fluido que contienen dichos recipientes, porque de lo contrario, dicha presión podría vencer la resistencia del material de la pared, haciendo colapsar el recipiente.
- Como con cualquier otro fluido, este principio de presión también se aplica al llenado de globos, pelotas de playa, y a las llantas o cauchos de los vehículos automotrices, debiéndose alcanzar un equilibrio entre el volumen máximo de llenado y la resistencia del material del que están hechos y que está sometido a la presión hidrostática del volumen de fluido contenido en su interior.