Guía 6 - Física 1

Vista previa del material en texto

1 
 
Guía 6: Fluidos 
Asignatura: Física 1 (Biotecnología) 
Docente (Teórica): Dr. Brian Wundheiler (brian.wundheiler@iteda.cnea.gov.ar) 
Docente (Practica): Dr. Diego Melo (diego.melo@iteda.cnea.gov.ar) 
Día/Horario: Miércoles, 17 hs a 22 hs 
Problema 1: ¿Cuál es la masa de la atmósfera de la tierra?. El radio de la Tierra es 6.37 x 10
6
 m y la 
presión atmosférica en la superficie es 1.013 x 10
5
 N/m
2
. 
Problema 2: Una mujer de 50 kg se equilibra sobre un par de zapatos con tacón de aguja. Si el 
tacón es circular y tiene un radio de 0.5 cm, ¿qué presión ejerce sobre el piso cada tacón?. 
Problema 3: En un tubo en U se vierte mercurio. El brazo izquierdo del tubo tiene área de sección 
transversal A1 de 10 cm
2
, y el brazo derecho tiene un área de sección transversal A2 de 5 cm
2
. A 
continuación se vierten 100 g de agua en el brazo derecho, como se muestra en la figura. a) 
Determine la longitud de la columna de agua en el brazo derecho del tubo. b) Dado que la 
densidad del mercurio es 13.6 g/cm
3
, ¿Qué distancia h se eleva el mercurio en el brazo izquierdo?. 
 
Problema 4: Una pelota de ping pong tiene un diámetro de 3.8 cm y una densidad promedio de 
0.084 g/cm
3
. ¿Qué fuerza se requiere para mantenerla completamente sumergida bajo el agua?. 
Problema 5: Un globo ligero se llena con 400 m
3
 de helio. a) A 0 
0
C, ¿cuál es la carga, en kg, que 
puede levantar el globo?. b) ¿Que carga, en kg, puede levantar el globo si se llena con hidrogeno?. 
En los cálculos considere las siguientes densidades: δaire = 1.29 kg/m
3
, δHe = 0.179 kg/m
3
 y δH = 
0.0899 kg/m
3
. 
Problema 6: Una bola esférica de aluminio, de 1.26 kg de masa, contiene una cavidad esférica 
vacía que es concéntrica con la bola. La bola apenas flota en el agua. Calcule: a) El radio exterior 
de la bola. b) El radio de la cavidad. Considere en sus cálculos que δAl = 2700 kg/m
3
. 
Problema 7: Un tanque con un fondo plano de área A y lados verticales se llena con agua con una 
profundidad h. La presión es 1 atm en la superficie. a) ¿Cuál es la presión absoluta en el fondo del 
2 
 
tanque?. b) Suponga que un objeto de masa M y densidad menor a la densidad del agua se coloca 
en el tanque y flota. No se desborda agua. ¿Cuál es el aumento resultante de presión en el fondo 
del tanque?. c) Evalúe sus resultados para un tanque con 1.5 m de profundidad y una base circular 
de 6 m de diámetro. Dos personas con masa combinada de 150 kg entran en el tanque y flotan 
tranquilamente ahí. Encuentre el aumento de presión en el fondo del tanque. 
Problema 8: Un cubo de madera que tiene aristas de 20 cm y densidad de 650 kg/m
3
 flota en el 
agua. a) ¿Cuál es la distancia desde la superficie horizontal más alta del cubo al nivel de agua?. b) 
¿Qué masa de plomo se debe colocar sobre el cubo para que la parte superior del cubo esté justo 
a nivel con el agua?. 
Problema 9: La fuerza gravitacional que se ejerce sobre un objeto sólido es 5 N. Cuando el objeto 
se suspende de una balanza de resorte y se sumerge en agua tal como se muestra en la figura la 
lectura en la balanza es de 3.5 N. Encuentre la densidad del objeto. 
 
Problema 10: Un resorte con constante elástica k = 90 N/m se une verticalmente a una mesa tal 
como muestra la figura. Un globo de 2 g se llena de helio (δHe = 0.18 kg/m3) a un volumen de 5 m
3
 
y después se conecta al resorte, provocando un estiramiento del resorte. Determine la distancia 
de extensión L cuando el globo está en equilibrio. 
 
Problema 11: Una esfera plástica flota en agua con el 50 % de su volumen sumergido. Esta misma 
esfera flota en glicerina con el 40 % de su volumen sumergido. Determine las densidades de la 
glicerina y la esfera. 
Problema 12: Un bloque metálico de 10 kg que mide 12 cm x 10 cm x 10 cm, está suspendido de 
una balanza y sumergido en agua, como muestra la figura. La dimensión de 12 cm es vertical y la 
3 
 
parte superior del bloque está 5 cm debajo de la superficie del agua. a) ¿Cuáles son las fuerzas que 
actúan sobre las partes superior e inferior del bloque? (Considere P0 = 101.3 kPa). b) ¿Cuál es la 
lectura de la balanza de resorte?. c) Demuestre que la fuerza de flotación es igual a la diferencia 
entre las fuerzas sobre las partes superior e inferior del bloque. 
 
Problema 13: ¿Cuántos metros cúbicos de helio se requieren para levantar un globo con una carga 
de 400 kg a una altura de 8000 m?. (Considere δHe = 0.18 kg/m
3
). Suponga que el globo mantiene 
un volumen constante y la densidad del aire disminuye con la altura z de acuerdo con la expresión 
δaire = δ0 e
-(z/8000)
, donde z está en metros y δ0 = 1.25 kg/m
3
 es la densidad del aire a nivel del mar. 
Problema 14: A través de una manguera contra incendios de 6.35 cm de diámetro circula agua a 
una relación de 0.012 m
3
/s. La manguera termina en una boquilla de 2.2 cm de diámetro interior. 
¿Con que velocidad sale el agua por la boquilla?. 
Problema 15: El agua se fuerza hacia arriba de un extintor de incendios mediante presión de aire. 
¿Cuánta presión manométrica con aire en el tanque (sobre la atmosférica) se requiere para que el 
chorro de agua tenga 30 m/s de velocidad, si el nivel de agua está 0.5 m debajo de la boquilla?. 
 
Problema 16: Un gran tanque de almacenamiento, abierto en la parte superior y lleno con agua, 
en su costado en un punto a 16 m abajo del nivel de agua se elabora un orificio pequeño. La 
relación de flujo a causa de la fuga es de 2.5 x 10
-3
 m
3
/min. Determine: a) la velocidad con la cual 
el agua sale del orificio, y b) el diámetro del orificio. 
Problema 17: La siguiente figura muestra una corriente de agua en flujo estable desde el grifo de 
una cocina. En el grifo el diámetro de la corriente es de 0.96 cm. La corriente llena un contenedor 
de 125 cm
3
 en 16.3 s. Encuentre el diámetro de la corriente 13 cm debajo de la abertura del grifo. 
4 
 
 
Problema 18: Un sifón de diámetro uniforme se usa para drenar agua de un tanque, tal como 
ilustra la figura. Suponga flujo estable sin fricción. a) Si h = 1 m, encuentre la velocidad del flujo de 
salida en el extremo del sifón. b) ¿Cuál es la limitación en la altura de la parte superior del sifón 
sobre la superficie del agua?. 
 
Problema 19: Un tubo Venturi se puede usar como un medidor de flujo (ver figura). Al tomar la 
diferencia P1 – P2 = 21 kPa, encuentre la relación de flujo del fluido en m
3
/s, si el radio del tubo de 
salida es de 1 cm, el radio del tubo de entrada es 2 cm y el fluido es gasolina (δ = 700 kg/m
3
). 
 
Problema 20: Un avión cruza a una altura de 10 km. La presión afuera de la cabina es 0.287 atm. 
Dentro del compartimento de pasajeros, la presión es de 1 atm y la temperatura es de 20 
0
C. En el 
sello de una de las ventanas del compartimento de pasajeros ocurre una pequeña fuga. 
Represente el aire como un fluido ideal para encontrar la velocidad de la corriente de aire que 
circula a través de la fuga.