El Principio o Ley de Pascal: Definición y Aplicaciones en la Vida Cotidiana

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Ley de Pascal

El principio de Pascal dice que cuando se cambia la presión en cualquier punto de un fluido estático en un sistema cerrado, el cambio en la presión se dispersará por igual a través del fluido. Es decir, la presión en un punto muy alejado de la región de cambio cambiará en la misma cantidad que un punto cercano. Un sistema cerrado puede ser simplemente un contenedor cerrado, o puede ser algo más complejo, como dos o más contenedores interconectados; lo importante es que ningún fluido pueda entrar o salir del sistema. También es importante tener en cuenta que, en física, un fluido puede ser un líquido o un gas. El principio se puede demostrar mediante una serie de experimentos simples, y tiene aplicaciones importantes, como en la prensa hidráulica.

El principio fue nombrado por del matemático y filósofo francés Blaise Pascal que lo descubrió en el 1600. Se aplica a situaciones estáticas y no a condiciones dinámicas donde otros factores podrían afectar los valores de presión. Por ejemplo, no se aplica a los fluidos que están en movimiento o sujetos a cambios de temperatura.

Ley de Pascal
Ley de Pascal

¿Qué es el Principio de Pascal y cómo lo usamos?

Una fuerza externa aplicada sobre la superficie de un líquido aumenta la presión del líquido en la superficie del líquido. Este aumento en la presión del líquido se transmite por igual en todas las direcciones y paredes del contenedor en el que se llena. Este comportamiento se llama principio o ley de Pascal, que establece:

“La presión aplicada en cualquier punto de un líquido encerrado en un contenedor, se transmite sin pérdida a todas las otras partes del líquido”.

Principio de Pascal

El principio de Pascal, también llamado ley de Pascal, es un cambio en la presión aplicada a un fluido cerrado que se transmite sin disminuir a todas las partes del fluido y a las paredes de su contenedor.

El principio de Pascal, un hecho verificado experimentalmente, es lo que hace que la presión sea tan importante en los fluidos. Dado que un cambio en la presión se transmite sin disminuir en un fluido cerrado, a menudo sabemos más acerca de la presión que otras cantidades físicas en fluidos. Además, el principio de Pascal implica que la presión total en un fluido es la suma de las presiones de diferentes fuentes. Encontraremos que este hecho (que las presiones se suman) es muy útil.

Blaise Pascal tuvo una vida interesante porque fue educado en su casa por su padre, quien retiró todos los libros de texto de matemáticas de su casa y le prohibió estudiar matemáticas hasta la edad de 15 años. Esto, por supuesto, despertó la curiosidad del chico, y por a la edad de 12 años, comenzó a aprender geometría por sí mismo. A pesar de esta privación temprana, Pascal pasó a hacer contribuciones importantes en los campos matemáticos de la teoría de la probabilidad, teoría de números y geometría. También es conocido por ser el inventor de la primera calculadora digital mecánica, además de sus contribuciones en el campo de la estática de fluidos.

Blaise Pascal
Blaise Pascal

Demostraciones

Hay una variedad de experimentos de leyes de Pascal que se pueden usar para demostrar el efecto. El propio Pascal demostró que funcionaba llenando un barril con agua e insertando una tubería larga en la parte superior. Cuando vertió agua en la parte superior de la tubería, el cañón estalló. El peso del agua en la tubería causó un aumento en la presión dentro del barril que empujó contra los lados hasta que cedieron.

Tal vez la forma más básica de demostrar la ley en casa es simplemente apretar un globo. En este ejemplo, las paredes flexibles del contenedor muestran cómo el aumento de la presión causado por la compresión se dispersa por todo el globo. El globo se hinchará uniformemente en todas las direcciones, no solo en el lado opuesto al que se aprieta.

En otra demostración común, una botella se llena en la parte superior con agua y algunas cabezas de fósforos se dejan caer en ella para que flote. El cuello de un globo inflado se estira sobre la botella y luego se exprime ligeramente. Las cabezas de fósforos ahora se hunden a cierta distancia en el agua. Esto se debe a que el aumento de la presión debido a la compresión del globo se transmite hacia abajo en el agua, forzando parte del mismo hacia las cabezas de fósforos porosos y haciendo que se hundan, debido al peso extra. Cuando se elimina la presión sobre el globo, la presión del agua disminuye, la presión del aire en las cabezas de los fósforos fuerza la salida de agua y vuelven a flotar.

Aplicaciones del Principio de Pascal

Quizás la aplicación más conocida del principio de Pascal es la prensa hidráulica, un dispositivo que convierte una fuerza pequeña en una más grande. Por lo general, consta de dos cámaras conectadas, cada una con un pistón, una barrera móvil que puede empujarse hacia abajo o hacia arriba sin permitir que escape el fluido, y que contiene un fluido que no se puede comprimir. Una combinación de cámara y pistón es más grande que la otra: esta es la “salida”. La idea es que una pequeña fuerza aplicada al pistón más pequeño o de “entrada” dará como resultado una mayor fuerza de salida. Presionando hacia abajo la entrada aumenta la presión, y ese aumento será el mismo contra el pistón de salida más grande.

Otras aplicaciones

  • El principio subyacente del gato hidráulico y la prensa hidráulica.
  • Amplificación de la fuerza en el sistema de frenado de la mayoría de los vehículos de motor.
  • Se usa en pozos artesianos, torres de agua y represas.
  • Los buzos deben entender este principio. A una profundidad de 10 metros bajo el agua, la presión es dos veces la presión atmosférica a nivel del mar, y aumenta en aproximadamente 100 kPa por cada incremento de 10 m de profundidad.
  • Por lo general, la regla de Pascal se aplica al espacio confinado (flujo estático), pero debido al proceso de flujo continuo, el principio de Pascal se puede aplicar al mecanismo de elevación del aceite (que puede representarse como un tubo en U con pistones en cada extremo). La altura de elevación será en micras porque la energía se va a drenar y la presión disminuirá después de cada impacto con el material de elevación, pero la fuerza ejercida será igual.
  • Fuerza aplicada en el cilindro P1A1.
  • El principio subyacente del prensado isostático en caliente

Ejemplos del principio Pascal en la vida cotidiana

Barril de Pascal
Barril de Pascal

La ley de Pascal encuentra numerosos ejemplos en nuestra vida diaria tales como:

  • Automóviles
  • Sistema de freno hidráulico
  • Gato hidráulico
  • Prensa hidráulica
  • Máquinas hidráulicas.

Ley Pascal y sus aplicaciones en hidráulica

La prensa hidráulica es una máquina que funciona conforme a la ley de Pascal. Consiste en dos cilindros de diferentes áreas transversales. Están equipados con pistones de áreas de sección transversal a y A. El objeto a comprimir se coloca sobre el pistón del área grande de sección transversal A. La fuerza F1 se aplica al pistón del área de sección transversal pequeña a. La presión P producida por un pistón pequeño transmitido por igual al pistón grande y una fuerza F2 actúa sobre A que es mucho más grande que F1.

Presión en el pistón del área pequeña a:

P = F1 / a

Aplicando la ley de Pascal, la presión en el pistón grande del área A será la misma que en el pistón pequeño.

P = F2 / A

Comparando las ecuaciones anteriores, obtenemos:

F2 / A = F1 / a

Por lo tanto:

F2 = A × F1 / a

O

F2 = F1 × A / a

Como la relación es mayor que 1, la fuerza F2 que actúa sobre el pistón más grande es mayor que la fuerza F1 que actúa sobre el pistón más pequeño. Los sistemas hidráulicos que funcionan de esta manera se conocen como multiplicadores de fuerza.

Los sistemas de frenado de automóviles, autobuses, etc. también funcionan según la ley de Pascal. Los frenos hidráulicos permiten que se transmita la misma presión a través del líquido. Cuando se presiona el pedal del freno, ejerce una fuerza sobre el cilindro maestro, lo que aumenta la presión del líquido en él. La presión del líquido se transmite por igual a través del líquido en las tuberías de metal a todos los pistones de los otros cilindros. Debido al aumento en la presión del líquido, los pistones en los cilindros se mueven hacia afuera presionando las pastillas de freno con los tambores de freno. La fuerza de fricción entre las pastillas de freno y los tambores de freno detiene las ruedas.

Cálculo de la fuerza de salida

La fuerza de salida se calcula dividiendo el área del pistón de salida por el área del pistón de entrada y luego multiplicando el resultado por la fuerza de entrada. Si el pistón de salida tiene diez veces el área de la entrada, la fuerza de salida será diez veces la fuerza de entrada. Por ejemplo, si la fuerza de entrada es de 5 unidades, el área de entrada es de 2 unidades y el área de salida es de 20 unidades, la fuerza de salida será de 50 unidades. De esta forma, los objetos pesados ​​se pueden levantar sin la necesidad de aplicar una fuerza grande.

Esto no significa que la energía extra está apareciendo de la nada. La cantidad en que se eleva el pistón de salida será menor que la cantidad en que se presiona el pistón de entrada, lo que iguala las cosas. En el ejemplo anterior, si el pistón de entrada se empuja hacia abajo 10 unidades, el pistón de salida se elevará en 1 unidad. El principio es similar al uso de una palanca para levantar una roca. Los mecanismos hidráulicos de muchos tipos, como los sistemas de frenado en los aviones y algunos vehículos, se basan en la ley de Pascal.

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