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• Yolima Chica Roa

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PRIMER BIMESTRE FÍSICA GRADO OCTAVO

“FORMACIÓN EN VALORES PARA UNA CONVIVENCIA PACÍFICA A TRAVÉS DE COMPETENCIAS Y DESTREZAS”

Presentación ¿Te has sumergido alguna vez bajo el agua de una piscina o del mar? Si es así, y lo has hecho a la suficiente profundidad, probablemente habrás comenzado a sentir un desagradable dolor en los oídos. La razón es la presión que ejerce el agua sobre tus oídos. En este tema vamos a hacer una introducción al concepto de presión. Veremos qué es y cómo se comporta en el caso de los fluidos. Veremos, además, como se puede aprovechar para, por ejemplo, generar una fuerza elevada a partir de una más pequeña.

CRONOGRAMA ACTIVIDAD

SESIONES/FECHAS

VALORACIÓN

FIRMA

Metodología La metodología que se aplicará para el desarrollo de las actividades propuestas en la guía de trabajo y las que se propondrán en clase. Los ejemplos y esquemas conceptuales serán, luego se profundizarán los temas mediante el desarrollo de cuestionarios o talleres, junto con controles de lectura y evaluaciones escritas parciales sobre cada tema. A continuación, se presentarán las actividades a realizar por cada una de las fortalezas.

En el transcurso de las clases se darán las fechas en que los estudiantes deberán presentar sus tareas, actividades, exposiciones, evaluaciones parciales y carpetas; las fechas que se establezcan irán apuntadas en la agenda escolar y en el cuadro que se encuentra a continuación y no serán modificadas, por tanto se exige responsabilidad en todas las entregas, en caso contrario, automáticamente se obtendrá calificación de 10 (Desempeño bajo), excepto cuando se tenga justificación médica y excusas de autorizaciones por parte de la coordinación académica, que deberán ser presentadas al docente de la asignatura el mismo día que son firmadas por dicha dependencia.

FORTALEZAS A EVALUAR

1. Aplica la definición de las clases de presión al analizar y solucionar problemas. 2. Aplica la definición de los principios de Pascal y Arquímedes al solucionar problemas. 3. Aplica los principios de Bernoulli y Torricelli. Al solucionar problemas.

MAPA TEMÁTICO

NOTA

Conceptualización ¿Has probado a clavar alguna vez un alfiler en una barra de pan?, ¿Qué ocurre si lo intentas con tu dedo? Si no lo has hecho nunca, probablemente puedas deducirlo fácilmente. Clavar el alfiler es bastante sencillo, sin embargo, clavar tu dedo requiere algo más de fuerza. Esto es debido a que, a grandes rasgos, la deformación o penetración que produce una fuerza sobre cualquier cuerpo depende de dos factores: la forma del objeto que ejerce la fuerza y la naturaleza de los cuerpos que interactúan. Al clavar el alfiler, aplicamos una fuerza sobre la superficie pequeña de la punta, mientras que, si lo hacemos con el dedo, la superficie es mayor. En ambos casos, toda la fuerza que aplicamos se distribuye ("se diluye") entre todos los puntos de la superficie del alfiler y del dedo. Cuanto menor sea la superficie de aplicación, mayor será la fuerza sobre cada punto de la superficie y mayor será su carácter deformador o su capacidad de penetración. Este efecto es lo que se conoce en Física como presión. La presión es una magnitud que mide el efecto deformador o capacidad de penetración de una fuerza y se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie. Se expresa como:

Su unidad de medida en el S.I. es el N/m2, que se conoce como Pascal (Pa). Un pascal es la presión que ejerce una fuerza de un newton sobre una superficie de un metro cuadrado. Por tanto, cuanto mayor sea la superficie del objeto que intentamos clavar en la barra de pan, más fuerza necesitaremos para conseguirlo.

Unidades de Presión Como hemos comentado anteriormente la unidad de medida en el S.I. es el Pascal, sin embargo, es común encontrar la presión expresadas en otras unidades. 

kp/cm2 (Kilopondio por centímetro cuadrado). Muy utilizada en la Industria. 1 kp/cm2 = 98000 Pa.

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atm (atmósfera). Para medir la presión atmosférica. 1 atm = 101325 Pa. En ocasiones se redondea a 101300 Pa.



bar. Muy utilizada en meteorología. 1 bar = 100000 Pa.



mmHg (milímetro de mercurio). 760 mmHg = 1 atm = 101325 Pa.

Ejercicio: Responde a las siguientes preguntas: a) ¿Que presión ejerce sobre el suelo un vehículo de 1000 kg, sabiendo que cada una de sus cuatro ruedas se apoya sobre una superficie de 50 cm2? b) Una bailarina de 60 kg, se apoya sobre la punta de uno de sus pies. Sabiendo que la superficie de la punta es de 8 cm2, ¿Qué presión ejerce sobre el suelo? c) ¿Cuál de los dos, el coche o la bailarina, ejerce más presión?

DENSIDAD: ¿Qué pesa más 1 litro de aire o de agua? En las mismas condiciones, es lógico pensar que el agua pesará más. Esto es debido a que en ese litro hay más masa de agua que de aire. Si lo analizas, en tu vida diaria puedes comprobar como ciertos objetos que ocupan el mismo volumen tiene más o menos masa. Esto es debido a que todas las sustancias están compuestas de átomos, cada uno de los cuales tiene su propia masa y se encuentran separados cierta distancia. Cuanto mayor sea la masa de esos átomos y menor la separación entre ellos, la sustancia tendrá más masa en un menor volumen. Esta propiedad es lo que se denomina densidad. En nuestro caso, el aire es menos denso que el agua, o lo que es lo mismo el agua es más densa que el aire, porque el agua tiene más masa que el aire en el mismo volumen. Para que te hagas una idea, el agua tiene una densidad aproximada de 1000 kg/m3 y el aire de 1.28 kg/m3. La densidad de una sustancia es una propiedad característica de estas que determina la cantidad de masa que posee por unidad de volumen y se expresa de la siguiente forma:

𝑚 𝜌= 𝑉

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Como hemos visto en el apartado anterior sobre la presión, esta no solo depende de la superficie de la sustancia sobre la que se ejerce una fuerza, sino también del estado de dicha sustancia (sólida, líquida o gaseosa). Un aspecto curioso de los líquidos al aplicar una presión sobre algunos de ellos, es que estos pueden cambiar su forma, pero no su volumen, al menos de forma importante. Esto hace que la compresibilidad de los líquidos sea prácticamente nula, es decir, se pueden comprimir muy poco. Este mismo hecho ocurre con los sólidos, aunque no con los gases.

Fuerzas de un fluido en equilibrio En recipiente que contiene un fluido, el peso del líquido ejerce una presión (presión hidrostática) sobre su fondo que a su vez crea una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente desde el interior del fluido hacia afuera. Por esta razón, cualquier fluido en equilibrio (que no se encuentre en movimiento) ejerce una fuerza sobre cualquier superficie que se encuentre en contacto con él. Dicha fuerza es perpendicular a la superficie de contacto entre ambos.

La presión aumenta con la profundidad Si a un recipiente le hacemos agujeros a distintas alturas a lo largo de su superficie y lo rellenamos con un fluido, podemos comprobar que el líquido comienza a escapar por los orificios. Sin embargo, podemos observar que la fuerza con la que sale el agua es mayor

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cuanto mayor es su cercanía con la base del recipiente. Esto nos indica que, a mayor profundidad, mayor es la presión.

PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTATICA. Si has visitado alguna vez un taller de reparaciones de coches, habrás podido ver una plataforma sobre la que se elevan vehículos a una altura considerable para que se puedan reparar por debajo fácilmente. La máquina que permite elevarlos es una prensa hidráulica. La prensa hidráulica es una máquina capaz de generar una fuerza elevada aplicando sobre ella una fuerza relativamente pequeña. Su funcionamiento se basa en el Principio de Pascal estudiado en el apartado anterior. Se componen de un depósito de gran resistencia que posee dos aberturas, una de superficie mayor (S1) y otra de menor (S2). Dicho depósito se rellena con un fluido como puede ser aceite o incluso agua y en cada abertura se sitúa un émbolo. Al grande lo llamaremos E1 y al pequeño E2. Si se aplica una fuerza sobre el émbolo pequeño E2, introduciéndolo en el recipiente, la presión se transmite íntegramente a todo el líquido, haciendo que el émbolo grande E1 ascienda con una fuerza mayor que la aplicada en S2. Pero... ¿Por qué? Si llamamos P1 a la presión del émbolo E1 y P2 al émbolo de E2, como la presión se transmite de igual forma en todos los puntos del fluido, se cumple que P1 = P2, o lo que es lo mismo:

𝐹1 𝐹2 𝑆1 = ⇒ 𝐹1 = 𝐹2 ⋅ 𝑆1 𝑆2 𝑆2

Si te das cuenta, la fuerza del émbolo grande, será la del pequeño pero amplificada una cantidad equivalente al cociente de ambas superficies. Al igual que este principio se utiliza para levantar vehículos, también se usa en los sistemas de frenos (al pisar al pedal, se aplica una fuerza mayor a las ruedas para que disminuyan su velocidad) o incluso para prensar materiales con poco esfuerzo.

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PRINCIPIO DE ARQUIMEDES Si has cogido un objeto pesado y te has metido con él en un recinto con agua (una piscina, alberca, bañera, etc.…), habrás podido comprobar que el objeto se vuelve menos pesado. Esto es debido a que cualquier cuerpo dentro de un fluido sufre una fuerza con la misma dirección y sentido contrario a su peso. Esa fuerza, denominada fuerza de empuje, corresponde con el peso del fluido desalojado al introducir el cuerpo en él. De esta forma, el peso del cuerpo dentro del fluido (peso aparente) será igual al peso real que tenía fuera de él (peso real) menos el peso del fluido que desplaza al sumergirse (peso del fluido o fuerza de empuje). Matemáticamente:

Paparente=Preal−Pfluido Este descubrimiento se atribuye a Arquímedes, el cual enunció el siguiente principio.

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Flotación Si el peso real del cuerpo que se sumerge en un fluido es menor, igual o mayor que la fuerza de empuje, se producen 3 posibles situaciones.

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Peso real mayor que la fuerza de empuje El cuerpo comenzará a descender en el fluido hasta que algo le impida avanzar. En este caso el volumen del fluido desalojado es idéntico al volumen del cuerpo sumergido.

Peso real igual a la fuerza de empuje El cuerpo sumergido permanecerá en equilibrio en el interior del fluido. Esto quiere decir que:

Preal = E Igualmente, en este caso, el volumen del fluido desalojado es idéntico al volumen del cuerpo.

Peso real menor que la fuerza de empuje El cuerpo subirá a la superficie y flota permaneciendo en equilibrio. Por lo tanto, cuando se detiene se cumple que:

Preal = E Al contrario que en las otras situaciones, el volumen del fluido desalojado es una parte del volumen del cuerpo, ya que parte de este se encuentra fuera.

ACTIVIDAD 1 Densidad y presión 1. Suponga que dos mundos, cada uno con una masa M y un radio R, se fusionan en uno solo. Debido a la contracción gravitacional, el mundo combinado tiene un radio de solo (3 /4) R. ¿Cuál es la densidad promedio del mundo combinado como un múltiplo de P0, la densidad de los dos mundos originales? 9

1. La moneda Soberano británica es una aleación de oro y cobre que tiene una masa total de 7.988 g y 22 quilates de oro. a) Encuentre la masa de oro en el Soberano en kilogramos partiendo del hecho de que el número de quilates = 24 X (masa de oro) / (masa total). b) Calcule los volúmenes de oro y cobre, respectivamente, que se usan para fabricar la moneda. c) Calcule la densidad de la moneda Soberano británica. 2. Cuatro acróbatas con masas de 75.0 kg, 68.0 kg, 62.0 kg y 55.0 kg, forman una torre humana; cada acróbata se pone de pie sobre los hombros de otro. El acróbata de 75.0 kg está en la parte inferior de la torre. a) ¿Cuál es la fuerza normal que actúa sobre el acróbata de 75 kg? b) Si el área de cada uno de los zapatos del acróbata de 75 kg es de 425 cm2, ¿cuál es la presión promedio (sin incluir la presión atmosférica) que ejerce la columna de acróbatas sobre el piso? c) ¿Será la misma presión si un acróbata diferente está abajo? 3. Calcule la masa de una barra rectangular de oro sólido que tiene dimensiones de 4.50 cm X 11.0 cm X 26.0 cm. 4. El núcleo de un átomo se puede modelar como varios protones y neutrones fuertemente empacados. Cada partícula tiene una masa de 1.67 3 10^-27 kg y un radio en el orden de 10^-15 m. a) Utilice este modelo y los datos proporcionados para estimar la densidad del núcleo de un átomo. b) Compare su resultado con la densidad de un material como el hierro. ¿Qué sugiere su resultado y la comparación acerca de la estructura de la materia? 5. Los cuatro neumáticos de un automóvil están inflados a una presión manométrica de 2.0 3 105 Pa. Cada neumático tiene un área de 0.024 m2 en contacto con el pavimento. Determine el peso del automóvil. 6. Suponga que un mundo distante con gravedad superficial de 7.44 m/s2 tiene una presión atmosférica de 8.04 3 104 Pa en la superficie. a) ¿Cuál es la fuerza ejercida por la atmósfera, sobre una región con forma de disco con 2?00 m de radio en la superficie de un océano de metano? b) ¿Cuál es el peso, de una columna cilíndrica de 10 m de profundidad de metano con un radio de 2?00 m? c) Calcule la presión a una profundidad de 10.0 m en el océano de metano. Nota: la densidad del metano líquido es 415 kg/m3.

ACTIVIDAD 4 1. Una pelota de tenis de mesa tiene un diámetro de 3.80 cm y una densidad promedio de 0.084 0 g/cm3. ¿Cuál es la fuerza requerida para mantenerla completamente sumergida en agua? 2. Un ser humano promedio tiene una densidad de 945 kg/m3 después de inhalar y 1 020 kg/m3 después de exhalar. a) Sin hacer ningún movimiento de natación, ¿qué porcentaje del cuerpo humano estaría sobre la superficie en el Mar Muerto (un cuerpo de agua con una densidad de aproximadamente 1 230 kg/m3) en cada uno de estos casos? b) Dado que el hueso y el músculo son más densos que la grasa, ¿cuáles características físicas distinguen a los “zambullidores” (los 10

que tienden a hundirse en el agua) de los “flotadores” (los que flotan con facilidad)? 3. Un barco transbordador pequeño en un río tiene un ancho de 4.00 m y una longitud de 6.00 m. Cuando un camión cargado sube al transbordador, el transbordador se hunde 4.00 cm adicionales En el río. ¿Cuál es el peso del camión? 4. Un sobreviviente de 62.0 kg de un barco de pasajeros que naufragó descansa sobre un bloque de polietileno que utiliza como balsa. Las dimensiones del bloque son 2.00 m X 2.00 m X 0.090 m; y 0.024 m de la balsa está sumergido. a) Trace un diagrama de fuerzas del sistema que consiste en el sobreviviente y la balsa. b) Escriba la segunda ley de Newton para el sistema en una dimensión, usando B para flotabilidad, w para el peso del sobreviviente y wr para el peso de la balsa (establezca a = 0). c) Calcule el valor numérico para la flotabilidad, B (el agua de mar tiene una densidad de 1 025 kg/m3). d) Usando el valor de B y el peso w del sobreviviente, calcule el peso wr del bloque. e) ¿Cuál es la densidad del polietileno? f) ¿Cuál es la fuerza de flotación máxima, que corresponde a la balsa sumergida hasta su tope? g) ¿Cuál es la masa total de sobrevivientes que la balsa puede soportar? 5. Un bloque de madera con un volumen de 5.24 X10^-4 m3 flota en el agua y un objeto pequeño de acero de masa m se coloca encima del bloque. Cuando m = 0.310 kg, el sistema está en equilibrio y la parte superior del bloque de madera está al nivel del agua. a) ¿Cuál es la densidad de la madera? b) ¿Qué le sucede al bloque cuando el objeto de acero se reemplaza por un segundo objeto con una masa menor que 0.310 kg? ¿Qué le sucede al bloque cuando el objeto de acero es reemplazado por otro objeto de acero con una masa mayor que 0.310 kg?

Bibliografía Físicalab.com. (Hidrostática.). Recuperado el 8 de Agosto de 2019, de https://www.fisicalab.com/tema/fuerza-y-presion-en-los-fluidos#contenidos Medina Matijasevick, D. c., Bautista, M., & Salazar, F. (2011). Hipertexto Física 1. Bogotá D.C: Santillana S.A. Serway, R. A., & John W. Jewett, J. (2008). Física para ciencias e ingeniería. (Vol. I). México, D.F.: Cengage Learning Editores. Serway, R. A., & Vuille, C. (2015). Fundamentos de física, 10a. ed. Ciudad de México: Cengage Learning . Tippens, P. E. (2011). Física, Conceptos y aplicaciones (Séptima ed.). (R. M. Mora, Ed., & A. C. González Ruiz, Trad.) México, D. F.: McGraw-Hill Companies.

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