Elementos de física elemental para estudiantes

 


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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.

  • 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

LEY DE BOYLE Y MARIOTTE

Ya establecimos que los gases son compresibles; es decir, son factibles de disminuir su volumen por acción de la presión.

Supongamos tener un recipiente (fig. 8) lleno de cierto gas. Ajustemos en el un émbolo y coloquemos sobre el mismo una pesa de 1 kg: el émbolo desciende hasta cierto nivel: llamaremos V1 al volumen del gas en esas condiciones.

Figura 8. Ley de Boyle Mariotte : a mayor presión menor volumen

Apliquemos luego otra pesa de 1 kg sobre el émbolo; observaremos que el embolo desciende nuevamente hasta que el volumen queda reducido a la mitad; a ese volumen lo llamaremos V2.

Coloquemos, por último, una tercera pesa de 1 kg; el émbolo desciende hasta cierto nivel, comprobando que el nuevo volumen V3, es la tercera parte del volumen primitivo. Las pesas colocadas sobre el émbolo hacen presión y comprimen el gas.

Si llamamos p1 a la presión originada por 1 kg, p2 a la originada por 2 kg, p3 a la originada por 3 kg, deducimos que a doble presión el volumen se reduce a la mitad, y a triple presión el volumen se reduce a la tercera parte. En todo este proceso han variado solamente la presión y el volumen, y permaneció constante la temperatura, por lo cual enunciamos así la ley de Boyle y Mariotte:

A temperatura constante, los volúmenes de una misma masa gaseosa son inversamente proporcionales a las presiones que soportan.

Figura 9. Verificación de la Ley de Boyle Mariotte con una jeringa

 

Ejemplo:

o sea, el producto del volumen por la presión que soporta el gas es constante.

Luego, el enunciado de la ley de Boyle y Mariotte, en símbolos, será

Representación gráfica de la ley de Boyle y Mariotte

Variación de volumen respecto de la variación de presión

Si la masa es de 1 litro y soporta una presión de 1 atm, de acuerdo con la ley de Boyle y Mariotte, la variación de volumen respecto de la variación de presión es la siguiente:

Consideremos el sistema de XX' e YY'; sobre el semieje OX (abscisas) representamos los valores de los volúmenes y sobre el semieje OY (ordenadas) los valores de las presiones. Por cada punto de división trazamos las perpendiculares a cada eje, y obtenemos los puntos A, B. C y D (fig. 10), que, al unirlos, dan origen a una curva, llamada hipérbola.

Figura 10. Representación gráfica de la ley de Boyle y Mariotte

Como la temperatura no ha sufrido variaciones, esta transformación o curva se denomina isoterma. Lo mismo que en el caso de la representación gráfica realizada en cinematlca, el grafico obtenido permite conocer la presión que soporta el gas para valores intermedios del volumen.

Ver tema : Manómetros. Tipos mecánicos convencionales.

 

 


 


 


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