Investigación Física 2024 PDF

Mecánica de Fluidos Investigación  Introducción La mecánica de fluidos estudia el comportamiento de líquidos y gases, en reposo o en movimiento, explorando cómo responden a fuerzas, presiones y cambios de temperatura. Se divide en hidrostática (fluidos en reposo) e hidro...

Mecánica de Fluidos Investigación  Introducción La mecánica de fluidos estudia el comportamiento de líquidos y gases, en reposo o en movimiento, explorando cómo responden a fuerzas, presiones y cambios de temperatura. Se divide en hidrostática (fluidos en reposo) e hidrodinámica(fluidos en movimiento). Conceptos como la presión hidrostática, el principio de Arquímedes, la viscosidad y el número de Reynolds son fundamentales para comprender fenómenos como la flotación, la transmisión de fuerzas y los tipos de flujo. Este campo tiene aplicaciones en ingeniería, biología y tecnología, regulando desde el diseño de sistemas hidráulicos hasta el transporte de sangre y aire en el cuerpo, conectando la física con la naturaleza y la vida diaria.  Líquido Es un estado de la materia en el cual las moléculas Ejemplos tienen una atracción moderada entre sí. Los líquidos Agua: Utilizada en la vida diaria y tienen volumen definido, pero no una forma fija, lo que esencial para la supervivencia de los les permite adaptarse a la forma del recipiente en el seres vivos. que se encuentran. Además, los líquidos presentan una Aceite: Común en la cocina y como característica conocida como tensión superficial, que lubricante en máquinas. les permite formar gotas y minimizar su superficie Mercurio: Utilizado en termómetros y expuesta. Al ser prácticamente incompresibles, los barómetros debido a sus líquidos no cambian significativamente su volumen propiedades físicas. bajo presión. Ejemplos  Gaseoso Ejemplos Es un estado de la materia en el que las moléculas tienen muy poca atracción entre sí y se mueven Aire: Mezcla de gases esencial para rápidamente en todas las direcciones. Los gases no la respiración y la vida en la Tierra. tienen forma ni volumen definido, y tienden a ocupar Dióxido de carbono (CO₂): Gas incoloro completamente el volumen del recipiente en el que que se produce en la respiración y están. Son muy compresibles, lo que permite que su en procesos industriales. volumen cambie significativamente bajo presión. Oxígeno (O₂): Fundamental para la respiración de organismos aeróbicos. Ejemplos  Fluido Ejemplos Se refiere a cualquier sustancia que puede fluir y cambiar de forma sin resistirse, adaptándose a la Agua (líquido): Fluye en ríos y mares, forma del recipiente. Los fluidos incluyen tanto líquidos adaptándose a las formas naturales. como gases, y se caracterizan por la capacidad de Aire (gas): Se mueve como viento, moverse y tener propiedades como viscosidad, transportando humedad y partículas. densidad y presión. Los fluidos pueden estar en reposo Aceite (líquido): Usado en motores o en movimiento, y su estudio abarca tanto la para reducir la fricción. hidrostática (fluidos en reposo) como la hidrodinámica (fluidos en movimiento). Ejemplos  Hidrostática Ejemplos Es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los Tanque de agua: La presión en el fluidos en reposo y las fuerzas que estos ejercen fondo del tanque aumenta con la sobre las superficies en contacto. La hidrostática se profundidad del agua. ocupa principalmente de la presión ejercida por los Presa de embalse: La fuerza ejercida fluidos debido a su peso y de cómo varía con la por el agua en la presa es mayor en profundidad. Es clave en aplicaciones donde los fluidos la base. están contenidos o sin movimiento. Botella cerrada con líquido: El líquido ejerce una presión constante en las paredes. Ejemplos  Presión hidrostática Ejemplos Es la presión que un fluido en reposo ejerce debido a Piscina: La presión es mayor en el su peso. Depende de la densidad del fluido, la fondo que en la superficie. profundidad y la gravedad. La fórmula de la presión Buque en el mar: Sufre presiones hidrostática es P=ρgh, donde ρ es la densidad del variables dependiendo de la fluido, gg es la aceleración debida a la gravedad, y h profundidad. es la profundidad. Globo de agua sumergido: Experimenta mayor presión cuanto más profundo esté. Ejemplos  Principio de Arquímedes Ejemplos Este principio establece que cualquier objeto total o Bote en el agua: Flota porque el parcialmente sumergido en un fluido experimenta una empuje hacia arriba equilibra su peso. fuerza de empuje hacia arriba equivalente al peso del Submarino: Ajusta su flotabilidad fluido desplazado. Este principio explica por qué llenando o vaciando tanques de algunos objetos flotan o se hunden y es fundamental agua. en el diseño de embarcaciones. Globo de helio: Flota en el aire por ser menos denso que el aire. Ejemplos  Principio de Pascal Ejemplos El principio de Pascal establece que la presión ejercida Frenos hidráulicos en automóviles: La presión aplicada en el pedal del freno sobre un fluido encerrado se transmite en todas las se transmite a través del fluido en las direcciones sin disminuir en intensidad. Esto significa líneas, multiplicando la fuerza y que cualquier cambio de presión en una parte del activando las pastillas de freno en las fluido se distribuirá uniformemente a lo largo del ruedas. mismo y en todas las direcciones. Es un principio Prensas hidráulicas: Utilizadas para fundamental para los sistemas hidráulicos, que comprimir materiales, aprovechando la transmisión de presión para realizar permiten la multiplicación de fuerzas. trabajos de alto impacto con mínima fuerza inicial. Ejemplos  Ley de Poiseuille Ejemplos La ley de Poiseuille describe el flujo laminar de un fluido Flujo sanguíneo en arterias y venas: viscoso en una tubería cilíndrica. Esta ley establece La velocidad y el volumen de sangre que el flujo volumétrico es directamente proporcional a dependen del radio del vaso y de la la cuarta potencia del radio del tubo y a la diferencia presión sanguínea. de presión, e inversamente proporcional a la longitud Sistema de irrigación en plantas: El del tubo y a la viscosidad del fluido. Esta ley es agua se desplaza a través de esencial en estudios de flujo sanguíneo y de otros conductos que siguen las leyes de fluidos en tubos estrechos. Poiseuille para transportar nutrientes. Ejemplos  Viscosidad Ejemplos La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido a fluir, debido a la fricción interna entre sus Aceite de motor: Tiene una alta moléculas. Los fluidos de alta viscosidad, como la miel, viscosidad a bajas temperaturas, fluyen más lentamente, mientras que los de baja proporcionando una capa protectora viscosidad, como el agua, fluyen rápidamente. La en el motor. viscosidad depende de factores como la temperatura Miel: Debido a su alta viscosidad, y la composición del fluido. fluye lentamente, especialmente a bajas temperaturas. Ejemplos  Número de Reynolds Ejemplos El número de Reynolds es una cantidad adimensional que ayuda a predecir el tipo de flujo de un fluido: Río en movimiento lento: Número de laminar o turbulento. Este número depende de la Reynolds bajo, indicando un flujo densidad, velocidad, tamaño del conducto y viscosidad laminar. del fluido. Si el número es bajo, el flujo es laminar Flujo de sangre en arterias grandes: (suave y regular); si es alto, el flujo es turbulento Puede tener un número de Reynolds (irregular y caótico). alto y mostrar zonas de turbulencia. Ejemplos  Leyes Generales de la Circulación Sanguínea Ejemplos Estas leyes se refieren a los principios físicos que gobiernan el flujo de sangre a través del sistema Presión arterial: La diferencia de cardiovascular, incluyendo conceptos de presión, presión entre el corazón y las resistencia y flujo. La sangre fluye de áreas de mayor arterias principales permite el a menor presión, y la resistencia dentro de los vasos movimiento de sangre. afecta la velocidad y cantidad de sangre que se Resistencia vascular: La fricción mueve a través de ellos. dentro de los vasos sanguíneos influye en el flujo, afectando la presión necesaria para mantener la circulación. Ejemplos  Mecánica Respiratoria Ejemplos La mecánica respiratoria estudia los procesos físicos de la respiración, como el movimiento del diafragma y Inhalación: El diafragma se contrae, los músculos intercostales, que crean diferencias de disminuyendo la presión interna y presión entre el interior de los pulmones y el exterior, permitiendo la entrada de aire. permitiendo la entrada y salida de aire. Involucra el Exhalación: El diafragma se relaja, concepto de presión alveolar y transpulmonar, la aumentando la presión en los resistencia al flujo aéreo y el volumen pulmonar. pulmones y expulsando aire. Ejemplos  Propiedades de los Gases Ejemplos Los gases tienen características únicas que los diferencian de los líquidos y sólidos. Son altamente Compresibilidad: Los gases pueden compresibles, expansibles y tienden a ocupar comprimirse bajo alta presión, como completamente el volumen del recipiente que los en los tanques de oxígeno que se contiene. La presión, el volumen y la temperatura de utilizan en hospitales. un gas están relacionados según las leyes de los Expansibilidad: El gas liberado de un gases ideales. recipiente se expande y se dispersa, como cuando se destapa un refresco. Ejemplos  Mezcla de Gases Ejemplos Una mezcla de gases consiste en la combinación de varios gases donde cada componente mantiene sus Aire: Una mezcla de nitrógeno, propiedades individuales. En estas mezclas, la presión oxígeno, dióxido de carbono y otros total es la suma de las presiones parciales de cada gases que es esencial para la vida. gas, según la ley de Dalton. Las mezclas de gases son Gases anestésicos: Mezclas comunes en sistemas biológicos y en muchas específicas de gases como el aplicaciones industriales. oxígeno y el óxido nitroso, utilizadas en procedimientos médicos. Ejemplos  Comportamiento Alveolar Ejemplos El comportamiento alveolar se refiere a los procesos de intercambio de gases que ocurren en los alvéolos, Intercambio de oxígeno: El oxígeno las diminutas estructuras esféricas en los pulmones. pasa de los alvéolos a la sangre Estos alvéolos permiten que el oxígeno pase a la capilar a través de la membrana sangre y que el dióxido de carbono sea expulsado. Su alveolar. estructura y propiedades de tensión superficial son Expulsión de dióxido de carbono: El esenciales para la eficiencia de la respiración. dióxido de carbono se difunde desde la sangre a los alvéolos para ser exhalado.  Ejemplo Intercambio de oxígeno Definición de presión bucal, alveolar, transpulmonar Presión Bucal: La presión en la cavidad bucal durante la respiración. Al inhalar, esta presión disminuye respecto al aire exterior, mientras que al exhalar aumenta ligeramente. Presión Alveolar: La presión del aire en el interior de los alvéolos. Varía según la fase respiratoria (inhalación o exhalación), lo cual permite el flujo de aire. Presión Transpulmonar: La diferencia entre la presión alveolar y la presión pleural (la presión en la cavidad pleural que rodea los pulmones). Es fundamental para mantener los pulmones expandidos y facilitar la respiración.  Ley de Fick Ejemplos La ley de Fick describe el proceso de difusión, Intercambio de oxígeno y dióxido de estableciendo que la tasa de transferencia de una carbono en los pulmones: La sustancia es proporcional a la diferencia de diferencia de concentración entre el concentración (gradiente) y al área de difusión, e aire alveolar y la sangre permite la inversamente proporcional al grosor de la membrana. difusión de gases. Esta ley es crucial para el intercambio de gases en los Difusión de nutrientes en células: Los alvéolos y en procesos industriales donde la difusión nutrientes se mueven hacia áreas es esencial. de menor concentración dentro de la célula. Ejemplo Difusión  Conclusiónes La mecánica de fluidos permite comprender y modelar el comportamiento de líquidos y gases en múltiples contextos físicos y biológicos. La hidrostática y la dinámica de fluidos tienen aplicaciones prácticas, desde el diseño de sistemas hidráulicos hasta el análisis de la circulación sanguínea. Los principios como los de Arquímedes y Pascal son fundamentales para el desarrollo de tecnologías que utilizan la transmisión de presión. La comprensión de la viscosidad y del número de Reynolds es crucial para distinguir entre flujo laminar y turbulento, importante en ingeniería y medicina. Las leyes que gobiernan los gases y su mezcla son esenciales para procesos respiratorios y el funcionamiento eficiente del sistema respiratorio y circulatorio. Gracias