PRESIÓN

PRESIÓN 

¿Qué significa la presión?

Si trataras de usar un martillo para clavar un pino de boliche a una pared, probablemente no pasaría nada, excepto que las personas dejarían de prestarte sus pinos de boliche. Sin embargo, si usaras un martillo para clavar un clavo con la misma fuerza, es más probable que entre en la pared. Esto muestra que algunas veces no es suficiente con solo saber la magnitud de la fuerza: también tienes que saber cómo está distribuida esa fuerza en la superficie de impacto. Para el clavo, toda la fuerza entre la pared y el clavo está concentrada en la pequeña área de su punta afilada. Para el pino de boliche, el área en contacto con la pared es mucho mayor y la fuerza está mucho menos concentrada.

rsona que golpea un pino de boliche y un clavo con un martillo.

Para precisar este concepto, utilizamos la idea de presión. Definimos la presión como la cantidad de fuerza ejercida por unidad de área.

${\Large P=\dfrac{F}{A}}$P, equals, start fraction, F, divided by, A, end fraction

Así que para crear una gran cantidad de presión, puedes ejercer una fuerza muy grande o ejercer una fuerza sobre un área pequeña (o ambas). En otras palabras, puedes permanecer seguro recostado en una cama de clavos si el área superficial total de las puntas de los clavos es lo suficientemente grande. 

Esta definición también significa que las unidades de presión son newtons entre metro cuadrado $\dfrac{\text{N}}{\text{m}^2}$start fraction, start text, N, end text, divided by, start text, m, end text, squared, end fraction, que también se llaman pascales, y se abrevian $\text{Pa}$start text, P, a, end text. 

Blaise Pascal fue un científico, matemático y filósofo del siglo XVII. No solo contribuyó al entendimiento de la presión de un fluido, también es reconocido por la "apuesta de Pascal", el "triángulo de Pascal" y el "teorema de Pascal".

¿Cómo encuentras la presión en un fluido?

Una superficie sólida puede ejercer presión, pero los fluidos (es decir, líquidos o gases) también pueden ejercer presión. Esto te puede parecer extraño, porque clavar un clavo con un líquido es difícil de imaginar. Para hacer sentido de esto, imagina que estás sumergido en agua a cierta profundidad. El agua sobre ti te empujaría hacia abajo debido a la fuerza de gravedad, y entonces ejercería una presión sobre ti. Si te sumerges más, habrá más agua sobre ti, así que el peso y la presión del agua también aumentarán.

No solo el peso de los líquidos puede ejercer presión. También el peso de los gases puede. Por ejemplo, el peso del aire en nuestra atmósfera es sustancial y nos encontramos casi al fondo de ella. La presión que ejerce el peso de la atmósfera sobre tu cuerpo es sorprendentemente grande. La razón por la cual no lo notas es porque la presión atmosférica siempre está ahí. Solo notamos un cambio en la presión arriba o abajo de la presión atmosférica normal (como cuando volamos en un avión o nos sumergimos en una alberca). Esta presión tan grande no nos hace daño porque nuestro cuerpo es capaz de ejercer una fuerza hacia afuera que balancea la presión del aire dirigida hacia adentro. Esto significa que si fueras lanzado al vacío del espacio exterior por piratas espaciales, la presión de tu cuerpo continuaría empujando hacia afuera con gran fuerza, pero no habría aire empujando hacia adentro. 

Probablemente no estallarías, ya que tu cuerpo, piel y huesos son lo suficientemente fuertes para mantenerte unido. Sin embargo, sería muy, muy incómodo. Además de la falta de oxígeno y la posible exposición a la radiación directa del sol, tus ojos se saltarían, tus tímpanos podrían romperse y la saliva de tu lengua probablemente herviría, pues el punto de ebullición del agua disminuye conforme la presión decrece. En ausencia de presión, tu temperatura corporal es suficientemente alta como para hervir el agua de tu lengua y el fluido de tus ojos. Así que, básicamente, nunca te dejes atrapar por piratas espaciales.

Muy bien, entonces el peso de un fluido puede ejercer presión sobre objetos sumergidos en él, pero ¿cómo podemos determinar de manera exacta cuánta presión ejercerá un fluido? Considera una lata de frijoles que se lanza a una piscina, como se muestra en el siguiente diagrama. 

  Una lata de frijoles sumergida bajo el agua a una profundidad h.

El peso de la columna de agua sobre la lata de frijoles crea una presión en la parte superior de la lata. Para determinar una expresión para la presión, comenzaremos con la definición de presión.

$\Large P=\dfrac{F}{A}$P, equals, start fraction, F, divided by, A, end fraction

Para la fuerza $F$F, debemos sustituir el peso de la columna de agua sobre la lata de frijoles. El peso siempre lo encontramos con la expresión $W=mg$W, equals, m, g, así que podemos escribir el peso de la columna de agua como $W=m_{a}g$W, equals, m, start subscript, a, end subscript, g, donde $m_a$m, start subscript, a, end subscript es la masa de la columna de agua sobre los frijoles. Al sustituir esta expresión en la ecuación para la presión, obtenemos

$P=\dfrac{m_a g}{A}$

de la densidad del agua $\rho_a$rho, start subscript, a, end subscript, la profundidad bajo el agua $h$h y la magnitud de la aceleración debida a la gravedad $g$g. Esto está muy bien, pues en ningún lado depende del área, el volumen, o la masa de la lata de frijoles. De hecho, esta fórmula no depende en nada de la lata, excepto de la profundidad bajo la superficie del fluido a la que se encuentra. Así que funcionaría igualmente bien para cualquier objeto sumergido en cualquier líquido; podrías utilizarla para encontrar la presión a una profundidad específica en un líquido sin tener que considerar ningún objeto dentro del cual esté sumergido. Frecuentemente, verás esta fórmula con la $h$h y la $g$g intercambiadas, así:

${\Large P= \rho gh}$P, equals, rho, g, h

Solo para ser claros, $\rho$rho siempre se refiere a la densidad del fluido que causa la presión, no a la densidad del objeto sumergido en el fluido. La altura $h$h se refiere a la profundidad en el fluido, así que, aún cuando hablemos de "bajo" la superficie, hay que sustituirla por un número positivo. La $g$g es la magnitud de la aceleración debida a la gravedad, que es$+9{,}8 \dfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$plus, 9, comma, 8, start fraction, start text, m, end text, divided by, start text, s, end text, squared, end fraction .

UNIDADES DE MEDIDA

Las unidades de presión son: En el Sistema Internacional de unidades (S.I.) la unidad de presión es el pascal que equivale a la fuerza normal de un newton cuando se aplica en un área de metro cuadrado.

 1pascal = 1N/m 2 y un múltiplo muy usual es el kilopascal (Kpa.) que equivale a 100 N/m 2 o 1000 pascales y su equivalente en el sistema inglés es de 0.145 lb./in 2 .

EJEMPLOS RESUELTOS