El aire, al ser un fluido, ejerce presión en un punto de manera similar a una columna de líquido. La envoltura gaseosa que rodea la tierra se llama atmósfera. Y la presión que ejerce la atmósfera se llama presión atmosférica. La fuerza que ejerce la columna de aire sobre una unidad de superficie de la superficie terrestre es igual a la presión atmosférica.
La presión atmosférica en un punto es igual al peso de la columna de aire de sección transversal unitaria que se extiende desde ese punto hasta la parte superior de la atmósfera.
En palabras simples, es la fuerza ejercida sobre una superficie por el aire. El valor de la presión atmosférica es 1.013 × 10 5 Pascal al nivel del mar.
Algunas unidades principales para medir la presión atmosférica son las siguientes:
- 1 atm = 1.013 × 10 6 dina/cm 2
= 1,013 × 10 6 N/m 2 (Pa)
- 1 bar = 10 6 dina/cm 2
= 10 5 N/m 2
- 1 milibar (m bar) = 10 -3 bar
= 10 3 dina/cm 2
= 10 2 N/m 2
- 1 torr = 1 mm de Hg
- 1 atm = 101,3 kPa
= 1,013 bares
= 760 toneladas
Dispositivos para Medir la Presión Atmosférica
La presión atmosférica juega un papel vital en la determinación de las condiciones climáticas y la química del agua, etc. Una caída rápida en la presión atmosférica indica un sistema de baja presión, este sistema de baja presión se asocia principalmente con clima lluvioso y nublado. Mientras que un rápido aumento en la presión atmosférica indica un cielo despejado y un clima seco.
Todos estos cambios importantes se miden principalmente utilizando varios dispositivos para medir la presión atmosférica. Estos aparatos para medir la presión atmosférica tienen una gran variedad de aplicaciones en nuestro día a día. Sin embargo, aquí están los cinco dispositivos más utilizados para medir la presión atmosférica:
- Barómetro de Mercurio
- Manómetro de tubo abierto
- Máquinas Hidráulicas
- Ascensor hidráulico
- Frenos Hidráulicos
Barómetro de Mercurio
Un científico italiano, E. Torricelli, fue el primero en idear un método para medir con precisión la presión atmosférica. El barómetro de mercurio es un instrumento simple que se utiliza para medir la presión atmosférica en un punto. Es un tubo de vidrio de 1 m de largo, cerrado por un extremo se llena con mercurio limpio y seco. Después de cerrar el extremo del tubo con el pulgar, el tubo se inserta en un plato de mercurio. A medida que se retira el pulgar, el nivel de mercurio en el tubo desciende un poco y se detiene a una altura vertical de 76 cm por encima del nivel de mercurio en el plato.
Cuando luego se invierte sobre un canal que contiene mercurio. Mercurio en el tubo se desliza hacia abajo, hasta que se estabiliza en un nivel. Debido a esto, el nivel de mercurio aumenta en el canal. Cuando el nivel de mercurio se estabiliza en el tubo, decimos que la presión ejercida por el mercurio es la misma que la presión atmosférica. Entendamos esto con un ejemplo discutido a continuación:
Barómetro de Mercurio
Al nivel del mar, la columna de mercurio en el tubo del Barómetro tiene una altura de 76 m sobre el nivel de mercurio en la depresión. Consideremos dos puntos B y C en el mismo nivel horizontal, como se muestra en la figura. Como están al mismo nivel horizontal, la misma presión actúa en estos puntos.
PC = PB = PA
donde Pa es la presión atmosférica.
Pero de acuerdo con la expresión para la presión absoluta,
PB = PA + ρgh
donde ρ es la densidad del mercurio, h es la altura del mercurio y PA es la presión en la región sobre el mercurio dentro del tubo (= 0).
PC = PB = 0 + ρgh
PA = ρgh
A nivel del mar P a = 1 atm y h = 76 cm.
Por lo tanto, 76 cm de mercurio en un barómetro de mercurio corresponde a la presión atmosférica equivalente a 1 atmósfera .
Manómetro de tubo abierto
Un manómetro de tubo abierto es un instrumento que se utiliza para medir las diferencias de presión o para medir la presión del gas encerrado en un recipiente. Consiste en un tubo en forma de U abierto en ambos extremos. Un líquido de densidad ρ se llena en el tubo. Un extremo del tubo se deja abierto a la atmósfera y el otro extremo se conecta al sistema cuya presión se va a medir.
Se toma un líquido adecuado en el tubo en U. Para medir pequeñas diferencias de presión, utilizamos un líquido de baja densidad como el aceite en el tubo del manómetro. Mientras que para medir grandes diferencias de presión usamos líquidos de alta densidad como el mercurio. Entendamos esto con un ejemplo discutido a continuación:
Manómetro de tubo abierto
Sea P la presión de la muestra encerrada y P a la presión atmosférica. El nivel de líquido en la rama abierta del tubo en U aumenta en comparación con otras ramas unidas al sistema, siendo h la diferencia entre los niveles de líquido de las dos ramas y ρ la densidad del líquido. El líquido en el tubo en U descansa a diferentes niveles en los dos brazos.
Consideremos dos puntos A y B que se encuentran en el mismo nivel horizontal y, de acuerdo con la Ley de Pascal, la presión P A y P B en los puntos respectivos debería ser la misma.
P A = P B = P a + ρgh [P A = P (presión de la muestra adjunta)]
PAG – PAG un = ρgh
Máquinas Hidráulicas
Las máquinas hidráulicas funcionan principalmente según el principio de la ley de Pascal, que establece claramente que la presión sobre un fluido encerrado es uniforme en todas sus direcciones. Y la fuerza sobre el fluido viene dada por la multiplicación de la presión y el área de la sección transversal. Estas máquinas hidráulicas utilizan la energía de los fluidos para realizar su trabajo. El fluido hidráulico se bombea a cilindros hidráulicos y motores hidráulicos.
Siempre que se aplica una presión externa sobre un líquido en reposo, se transfiere y disminuye a todas las partes del líquido y también a las paredes del recipiente que contiene el líquido. Esta es la ley de Pascal para la transmisión de la presión del fluido. Entendamos esto con un ejemplo discutido a continuación:
Máquinas Hidráulicas
Considere un recipiente que tiene cuatro aberturas A, B, C y D, estas aberturas están provistas de pistones sin fricción, sin peso y estancos. Las cuatro aberturas tienen el mismo ancho y tienen un área de sección transversal a.
Cuando el pistón en A es empujado con una fuerza F, ejerce una presión P = F/a sobre el fluido encerrado. Se encuentra que necesitamos la misma fuerza F en cada pistón B, C y D para evitar que se muevan.
Por lo tanto, prueba que la presión externa aplicada para encerrar el fluido se transfiere a todos los puntos sin disminución.
Ascensor hidráulico
El Elevador Hidráulico se utiliza principalmente para levantar cargas aplicando una fuerza de menor magnitud. Un ascensor hidráulico simple consta de dos cilindros 1 y 2 de diferentes áreas de sección transversal A 1 y A 2 conectados entre sí con la tubería horizontal. Dos cilindros están provistos de pistones herméticos sin fricción. Un aceite incompresible se llena en los cilindros.
Un pistón tiene un área de sección transversal más pequeña que el otro. Supongamos que empujamos el pistón 1 hacia abajo con una fuerza F 1 . Por lo tanto, la presión ejercida en este pistón es,
PAG 1 = F 1 /A 1
Ahora, de acuerdo con la ley de Pascal, este cambio de presión se transfiere sin disminución al otro pistón P 2 .
ΔP 1 = ΔP 2
F 1 /A 1 = F 2 /A 2
o
F 2 = F 1 × A 2 /A 1
Un 2 >> Un 1
Así, la fuerza F 2 experimentada por el pistón 2 es mayor que la fuerza aplicada F 1 , por el factor A 2 /A 1 .
Por lo tanto, al aplicar una pequeña fuerza en el pistón más angosto podemos equilibrar una fuerza mayor (peso del automóvil) en el pistón más ancho. Así, usando efectivamente un elevador hidráulico, una fuerza dada aplicada sobre una distancia dada puede transformarse en una fuerza mayor aplicada sobre una distancia más pequeña.
Ascensor hidráulico
Frenos Hidráulicos
Los frenos hidráulicos en los automóviles funcionan según el principio de Pascal de transmisión de la presión del fluido. En un arreglo simple, cuando el conductor del vehículo aplica fuerza sobre el pedal del freno con el pie, el sistema de palanca mueve el pistón dentro de un cilindro maestro que contiene aceite para frenos. La presión provocada se transmite a través del aceite de freno a los pistones P 1 y P 2 de mayor superficie. Una fuerza mayor actúa sobre los pistones y empuja las zapatas de freno contra el revestimiento del freno. De esta forma, una pequeña fuerza sobre el pedal del freno produce una gran fuerza de retardo sobre la rueda en movimiento. Cuando se suelta el pedal del freno, el resorte tira de las zapatas del freno a sus posiciones normales. Por lo tanto, obliga al aceite de freno a fluir de regreso al cilindro maestro.
Cuando se aplica un poco de fuerza sobre el pedal con el pie, el pistón maestro se mueve hacia adentro. La presión así transmitida se transfiere sin disminución a los otros pistones P 1 y P 2 que están conectados directamente a las ruedas. Estos pistones tienen secciones transversales más grandes en comparación con el pistón maestro P.
Aplicando la ley de Pascal, una gran fuerza actúa sobre estos pistones que se mueven y expanden las zapatas de freno. Por tanto, la fuerza de frenado producida en las ruedas es bastante grande en comparación con la pequeña fuerza aplicada en el pedal del freno. El esfuerzo de frenado es igual en todas las ruedas porque la presión se transfiere por igual a todos los pistones conectados a las ruedas.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: ¿Cuál es la presión sobre un nadador a 10 m por debajo de la superficie de un lago?
Responder:
Dado que, la altura, h = 10 m.
ρ ( agua ) = 1000 kg/m3 , g = 9,8 m/s 2
Presión sobre el nadador 10 m por debajo de la superficie del lago,
P = Pa + h*ρ*g
= 1,0 * 10 5 + 10*1000*9,8
= 1,98 * 10 5 Pa ≈ 2 atm
Pregunta 2: La densidad de la atmósfera al nivel del mar es de 1,29 kg/m 3 . Suponga que no cambia con la altitud. Entonces, ¿hasta qué altura se extendería la atmósfera? (Tome g = 9,81 m/s 2 ).
Responder:
Aquí ρ = 1,29 kg/m 3 , g = 9,81 m/s 2 , Pa = 1,01 * 10 5 Pa
Como, PAG = h × ρ × gramo
h = PAGS un / ρ × gramo
= 1,01 × 105 / 1,29 × 9,81
= 7981 m ≈ 8 km
Pregunta 3:La lectura del nivel de mercurio en un barómetro instalado en un establecimiento en el terreno montañoso en un día resultó ser de 732 mm. Encuentre el valor de la presión atmosférica en el lugar. Dado que la densidad del mercurio es 13,6*10 3 kg m -3 y g = 9,8 ms -2
Responder:
Dado que h = 0,732 mm = 0,732 m,
ρ = 13,6 × 10 3 kg m -3 y
g = 9,8 ms -2
Presión atmosférica en el lugar,
PAGS un = h × ρ × gramo = 0,732 × 13,6 × 10 3 × 9,8
= 9,76 × 10 4 Pa.
Pregunta 4: Los pistones de una máquina hidráulica tienen diámetros de 30,0 cm y 2,5 cm. ¿Cuál es la fuerza ejercida sobre el pistón más grande cuando 40 kg wt. se coloca en el pistón más pequeño? Si el pistón más pequeño se mueve hacia adentro 6 cm, ¿cuánto se mueve hacia afuera el otro pistón?
Responder:
Para pistón más pequeño, Área a 1 = π × (1.25) 2 cm 2
Para pistón más grande, Área a 2 = π × (15) 2 cm 2
La ventaja mecánica en el pistón más grande es 2 /a 1
F 2 = F 1 × un 2 / un 1 = 40 × π × (15) 2 / π (1,25) 2
= 40 × 9,8 × 225/1,25 × 1,25
= 56,448N
Esta es la fuerza ejercida sobre el pistón más grande. Los líquidos se consideran incompresibles. Por lo tanto, el volumen cubierto por el movimiento del pistón más pequeño hacia adentro es igual al movido hacia afuera por el pistón más grande.
l 1 un 1 = l 2 un 2
l 2 = l 1 × a 1 /a 2 = 6 × (1.25) 2 /(15) 2 cm
= 0,042 centímetros
Entonces, la distancia recorrida por el pistón más grande es de 0,042 cm.
Pregunta 5: Se llena agua en un matraz hasta una altura de 40 cm, el fondo del matraz es cuadrado con un lado de 10 cm. Si la presión atmosférica es 1,01 × 10 5 N/m 2 , encuentre la fuerza que ejerce el agua sobre el fondo. Tome g = 10 m/s 2 y la densidad cuadrada del agua = 1000 kg/m 3
Responder:
La presión en la superficie del agua es igual a la presión atmosférica P 0 . La presión en el fondo es
PAGS = PAGS 0 + hρg
= 1,01 × 10 5 + 0,40 × 1000 × 10
= 1,01 × 10 5 + 0,04 × 10 5
= 1,05 × 10 5 /m 2
El área del fondo = a 2 = (10 × 10 -2 ) 2 = 10 2 m 2
La fuerza en el fondo = F = P × área del fondo
= (1,05 × 10 5 ) × (10 -2 )
= 1,5 × 10 3 N
La fuerza sobre el fondo es de 1050 N.
Pregunta 6: Un barómetro colocado en un ascensor que acelera hacia arriba indica 76 cm de Hg. Si el ascensor acelera hacia arriba a 4,9 ms -2 , ¿cuál será la presión del aire en el ascensor?
Responder:
Cuando el ascensor sube con aceleración a.
Aceleración neta = g + a
Así, Presión = h × ρ × (g + a) dina cm -2
= 76 × 13,6 × (9,8 + 4,9) / 13,6 × 9,8
P = 114 cm de Hg
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por anisharachel2012 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA