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Neumostática. Experimento de Torricelli. Barómetros. Ley de Boyle y Mariotte.


 

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Experiencia de Torricelli

Como experiencia de laboratorio y científica, mencionaremos la realizada por Torricelli para demostrar la existencia de la presión.

La misma se efectúa así:

a) Se llena con mercurio un tubo de aproximadamente 1 m de largo (fig. 15 a);

b) Se lo tapa con un dedo y se lo invierte (fig. 15 b);

c) En esa posición, se introduce el extremo así tapado en una cubeta con mercurio y se retira el dedo (fig. 15 c);

Figura 15. Experiencia de Torricelli: la columna mercurial alcanza, aproximadamente 76 cm.

 

d) El mercurio del tubo baja hasta cierto nivel y no desciende mas (fig. 15 c y d).

El desnivel entre la superficie libre del mercurio en la cubeta y la superficie libre en el tubo es, aproximadamente, de 76 cm.

¿Por qué la columna no baja más? Pues porque la presión atmosférica equilibra la presión de la columna, o sea,

presión columna mercurio = presión atmosférica.

Si la presión atmosférica aumenta, la columna asciende (figura 16 a).

Figura 16. En (a) disminuye la presión y baja la columna de mercurio. En (b) ocurre lo contrario

Si la presión atmosférica desciende, la columna baja, hasta que se produce el equilibrio con la presión exterior (fig. 16 b ).

Presión atmosférica normal

Se llama presión atmosférica normal a la presión equivalente a una columna de mercurio de 76 cm (760 mm) de altura, y recibe el nombre de una atmósfera.

Por el teorema general de la hidrostática.

es

donde

Al estudiar la presión, definimos la baria y la milibaria; resulta entonces, que

  • 1 baria = 1 dyn/cm2 = 10-6 bar
  • 1 baria = 0,1 Pa pascal
  • 1 atm = 1 013 250 barias
  • 1 atm = 1 013, 250 milibarias
  • 1 Pa = 10 barias

 

Variación de la presión con la altura

La presión atmosférica resulta del peso de la atmósfera. Observemos la figura 1.

Figura 1. El peso de la atmósfera provoca la presión atmosférica.

En A. la presión es mayor que en B y que en C; en B, mayor que en C, ya que en cada uno de esos puntos (situados más arriba) se "soporta menos peso" de la atmósfera.

Figura 2. a) En el punto C, la presión es menor que en A y en B.

b) El peso que se soporta en P es mayor que en N y en M. En la atmósfera ocurre en forma análoga.

En consecuencia:

1) Al nivel del mar, la presión se llama normal, y hemos establecido que

1 atm = 1033 g/cm2;

2) Sobre el nivel del mar, la presión atmosférica es menor que la normal.

¿Quién equilibra esa presión en los seres humanos? El maravilloso sistema circulatorio. Por eso, el estado físico característico de los llamados "días pesados": la presión exterior disminuye y ocasiona un desequilibrio de adentro hacia afuera, lo que provoca ese malestar (cansando, sensación de manos hinchadas, etcétera).

Cuando se asciende a una gran altura (avión, montaña, etc.), se producen desequilibrios, tales como zumbidos de oídos, mareos y hasta hemorragias por rotura de vasos, etc. En el altiplano boliviano, la presión atmosférica disminuye en forma tan notoria que se producen apunamientos, debido a que la presión interior del cuerpo es mayor que la exterior. En los aviones modernos este inconveniente está solucionado mediante el acondicionamiento de las llamadas cabinas altimáticas.

Se calcula que por cada 10,5 m de ascenso la columna mercurial desciende 1 mm.

Si la experiencia de Torricelli se hiciera con agua, para lograr el equilibrio se necesitaría una columna de 10,33 m de altura.

En efecto, sabemos que

despejando h, resulta

 

BARÓMETROS

Son aparatos para medir la presión atmosférica. Como sabemos, la presión atmosférica es variable. Con tendencia a subir sobre 76 cm, indica, en general, tiempo bueno y seco. Con tendencia a bajar de 76 cm, indica, en general, tiempo húmedo y lluvias. De ello se deduce fácilmente la gran importancia que tiene efectuar mediciones de la presión atmosférica.

Barómetros de mercurio

Están basados en la experiencia de Torricelli y existen dos tipos, que veremos a continuación. Ahora se usa raramente debido a su fragilidad y la toxicidad del mercurio. El barómetro aneroide (sin líquido) es el preferido para la lectura directa.

  • BARÓMETRO DE CUBETA. Es el dispositivo de la experiencia de Torricelli (fig. 3), al cual se le adiciona una regla graduada en milímetros.

Inconvenientes :

a) Al bajar la presión, el nivel de ía cubeta sube y tapa el cero de la regla; recíprocamente, si aumenta la presión, desciende el nivel de la cubeta y no coincide con el cero.

Figura 3. Barómetro de cubeta

b) Si no está bien nivelado, la lectura no es correcta

c) Es de dificil transporte

  • BARÓMETRO DE FORTÍN

Tiene igual fundamento que el anterior, pero sin los inconvenientes anotados. La cubeta es de vidrio y tiene en su base un tejido tipo gamuza, que puede subir o bajar mediante un tornillo micrométrico. De este modo, el nivel de mercurio en la cubeta sube o baja, coincidiendo con el cero, según las circunstancias. El cero está indicado por un índice o aguja de marfil (fig. 4 ).

Figura 4. Barómetro de Fortín : el nivel del mercurio, por acción del tornillo, puede estar siempre en el cero

Figura 5. El trípode permite que el barómetro esté siempre en posición vertical

La perfecta nívelación se logra suspendiendo el barómetro de un trípode. Además, el tubo está "encamisado" y deja ver la columna de mercurio por una abertura longitudinal. De este modo, se preserva contra golpes (Fig. 5). Todos estos detalles lo hacen seguro y fácilmente transportable.

Barómetros metálicos

Son menos senslbles que los de mercurio, pero mucho más prácticos, y están basados en las deformaciones que sufren las paredes metalicas de cajas construidas especialmente para este fin. Las deformaciones producidas se transmiten a una aguja, que indica, sobre una escala, la presión del momento.

BARÓMETRO DE VIDI (fig. 6).

Es una caja metálica, cilíndrica en la que se ha hecho el vacío. Una de sus bases es ondulada para transmitir mejor la presión. Adicionado a ella existe un mecanismo de palanca (aguja) que sirve para marcar, sobre una escala graduada, el valor de la presión.

Figura 6. Barómetro metálico de Vidi

BARÓMETRO DE BOURDON (figura 7).

La caja de éste se reduce a un tubo delgado de latón, cerrado, de sección elíptica, en el cual se ha efectuado el vacío. Sus extremos están unidos a un sistema de palanca que acciona un engranaje. Mediante este engranaje se mueve una aguja, que marca, sobre una escala, el valor de la presión atmosférica. Al aumentar la presión, los extremos del tubo se acercan; recíprocamente, al descender, se alejan.

Figura 7. Barómetro metálico de Bourdon

Otros sensores de presión :

En la figura 7A(b) se muestra un manómetro piezoeléctrico. Los cristales piezoeléctricos producen un voltaje entre sus caras opuestas cuando se aplica una fuerza o presión al cristal. Este voltaje se puede amplificar y el dispositivo se puede utilizar como sensor de presión.

Figura 7A - Diagrama de (a) barómetro y (b) elemento sensor piezoeléctrico.

Los dispositivos capacitivos utilizan el cambio de capacitancia entre el diafragma sensor y una placa fija para medir la presión. Algunos sensores de presión de silicio micromecanizado utilizan esta técnica con preferencia a un medidor de galgas. Esta técnica también se utiliza en varios otros dispositivos para medir con precisión cualquier pequeño cambio en la deformación del diafragma.

En instrumentación industrial, se debe tener en cuenta lo siguiente al instalar dispositivos sensores de presión.

1. La distancia entre el sensor y la fuente debe mantenerse al mínimo.

2. Los sensores deben conectarse a través de válvulas para facilitar su reemplazo.

3. Deben incluirse dispositivos de protección de sobrerrango en el sensor.

4. Para eliminar errores debidos al gas atrapado en la detección de presiones de líquidos, el sensor debe ubicarse debajo de la fuente.

5. Para eliminar errores debidos al líquido atrapado en la detección de presiones de gas, el sensor debe ubicarse sobre la fuente.

6. Al medir presiones en fluidos y gases corrosivos, es necesario un medio inerte entre el sensor y la fuente o el sensor debe ser resistente a la corrosión.

7. El peso del líquido en la línea de conexión de un dispositivo sensor de presión de líquido ubicado encima o debajo de la fuente causará errores en el cero, y se debe realizar una corrección mediante el ajuste del cero, o compensar de otra manera en los sistemas de medición.

8. Se pueden agregar resistencia y capacitancia a los circuitos de electrones para reducir las fluctuaciones de presión y las lecturas inestables.

Aplicado a: Manómetro de tubo en U, Fuelle, Tubo Bourdon, Bourdon helicoidal, Medidor de tensión, Diafragma de acero inoxidable, Diafragma, Cápsula, Bourdon espiral, Piezoeléctrico, Diafragma de estado sólido

Calibración de dispositivos sensores de presión

Los dispositivos sensores de presión para uso industrial, se calibran en fábrica. En los casos en los que un sensor sea sospechoso y deba ser recalibrado, el sensor puede devolverse a la fábrica para su recalibración o puede compararse con una referencia conocida. Los dispositivos de baja presión se pueden calibrar con un manómetro de líquido. Los dispositivos de alta presión se pueden calibrar con un comprobador de peso muerto. En un comprobador de peso muerto, la presión sobre el dispositivo bajo prueba se crea mediante pesas en un pistón. Las altas presiones se pueden reproducir con precisión.

 

 

 


 


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