Presión en un fluido

Presión en un fluido
Columna de mercurio.

La presión en un fluido es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación de movimiento del fluido, en algunos casos especiales esta presión coincide con la presión media o incluso con la presión hidrostática.

Contenido

Introducción

Todas las presiones representan una medida de la energía potencial por unidad de volumen en un fluido. Para definir con mayor propiedad el concepto de presión en un fluido se distinguen habitualmente varias formas de medir la presión:

  • La presión media, o promedio de las presiones según diferentes direcciones en un fluido, cuando el fluido está en reposo esta presión media coincide con la presión hidrostática.
  • La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica adicional relacionada con la velocidad del fluido. Es la presión que sufren los cuerpos sumergidos en un líquido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este. Se define por la fórmula \scriptstyle P_h=\gamma h\, donde \scriptstyle P_h\, es la presión hidrostática, \gamma = \rho g\, es el peso específico y \scriptstyle h profundidad bajo la superficie del fluido.
  • La presión hidrodinámica es la presión termodinámica dependiente de la dirección considerada alrededor de un punto que dependerá además del peso del fluido, el estado de movimiento del mismo.

Presión hidrostática

Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo y se calcula mediante la siguiente expresión:

\ P = \rho g h + P_0

Donde, usando unidades del SI,

Presión media

En un fluido en reposo la presión en un punto es constante en cualquier dirección y por tanto la presión media, promediando en todas direcciones coincide con la presión hidrostática. Sin embargo, en un fluido en movimiento la presión en movimiento esto no necesariamente sucede así. En un fluido cualquiera la presión media se define desde que la traza del tensor tensión del fluido:

\bar{p} = \frac{1}{3} \mbox{tr}(\boldsymbol\sigma)

En un fluido newtoniano la presión media coincide con la presión termodinámica o hidrodinámica en tres casos importantes:

  • Cuando el fluido está en reposo, en este caso, son iguales la presión media, la presión hidrostática y la presión termodinámica.
  • Cuando el fluido es incompresible.
  • Cuando la viscosidad volumétrica es nula.

En un fluido en reposo en los puntos donde el fluido está en contacto con una superficie sobre la que ejerce una presión uniforme la presión media obviamente es:

\bar{p} = \frac{1}{3} \mbox{tr}(\boldsymbol\sigma) = \frac{F}{A}

Donde:

F\, es la fuerza resultante asociada a las presiones sobre dicha superficie.
A\, es el área total de la superficie sobre la que actúan las presiones uniformemente.

Presión hidrodinámica

En un fluido en movimiento general, al medir la presión según diferentes direcciones alrededor de un punto esta no será constante, dependiendo la dirección donde la presión es máxima y mínima de la dirección y valor de la velocidad en ese punto.

De hecho en un fluido newtoniano cuya ecuación constitutiva, que relaciona el tensor tensión con el tensor velocidad de deformación:

\sigma_{ij} = (-p+\lambda d_{kk})\delta_{ij} + 2\mu d_{ij} = \left(-p+\lambda \frac{\part v_k}{\part x_k}\right)\delta_{ij} + \mu \left( \frac{\part v_i}{\part x_j} + \frac{\part v_j}{\part x_i} \right)

Donde:

\sigma_{ij}\, son las componentes del tensor tensión.
d_{ij}\, son las componentes del tensor velocidad de deformación.
v_i\, son las componentes del vector velocidad del fluido.
p\, es la presión hidrodinámica.
\lambda, \mu\, son dos viscosidades que caracterizan el comportamiento del fluido.

Puede probarse que la presión hidrodinámica se relaciona con la presión media por:

p = \bar{p} + K(\boldsymbol\nabla\cdot\mathbf{v})

Donde:

K = \lambda + 2\mu/3\,, es la viscosidad volumétrica.
\boldsymbol\nabla\cdot\mathbf{v}, es la divergencia del vector velocidad.

Referencia

  • Spencer, A. J.M. Continuum Mechanics, Logman, 1980.

Véase también


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