Presión

La presión (símbolo: p o P)[1][2] es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea.

Distribución de presiones sobre un cilindro que se mueve a velocidad constante en el seno de un fluido ideal
Esquema; se representa cada "elemento" con una fuerza dP y un área dS
Animación: efecto de la presión en el volumen de un gas

En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa), que es equivalente a una fuerza total de un newton (N) actuando uniformemente sobre un área de un metro cuadrado (m²).[3] En el sistema anglosajón la presión se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square inch o psi), que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando sobre un área de una pulgada cuadrada.

Definición

La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa; es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:[4]

.

En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como

donde es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. La definición anterior puede escribirse también como

donde

es la fuerza por unidad de superficie;
es el vector normal a la superficie;
es el área total de la superficie S.

Presión absoluta y relativa

En determinadas aplicaciones la presión se mide, no como la presión absoluta, sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa,[5] presión normal, presión de gauge o presión manométrica.

Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica (Pa) más la presión manométrica (Pm) (presión que se mide con el manómetro) .

Presión hidrostática e hidrodinámica

En un fluido en movimiento, la presión hidrostática puede diferir de la llamada presión hidrodinámica, por lo que debe especificarse a cuál de las dos se está refiriendo una cierta medida de presión.

Presión de un gas

En el marco de la teoría cinética la presión de un gas es explicada como el resultado macroscópico de las fuerzas implicadas por las colisiones de las moléculas del gas con las paredes del contenedor. La presión puede definirse, por lo tanto, haciendo referencia a las propiedades microscópicas del gas:

Para un gas ideal con N moléculas, cada una de ellas de masa m y moviéndose con una velocidad aleatoria promedio vrms contenido en un volumen cúbico V las partículas del gas impactan contra las paredes del recipiente de una manera que puede calcularse de forma estadística intercambiando momento lineal con las paredes en cada choque y ejerciendo una fuerza neta por unidad de área que es la presión ejercida por el gas sobre la superficie sólida.

La presión puede calcularse entonces como

(gas ideal).

Este resultado es interesante y significativo, no solo por ofrecer una forma de calcular la presión de un gas sino porque relaciona una variable macroscópica observable, la presión, con la energía cinética promedio por molécula, 1/2 mvrms², que es una magnitud microscópica no observable directamente. Nótese que el producto de la presión por el volumen del recipiente es dos tercios de la energía cinética total de las moléculas de gas contenidas.

Propiedades de la presión en un medio fluido

Manómetro
  1. La fuerza asociada a la presión en un fluido ordinario en reposo se dirige siempre hacia el exterior del fluido, por lo que debido al principio de acción y reacción, resulta en una compresión para el fluido, jamás una tracción.
  2. La superficie libre de un líquido en reposo (y situado en un campo gravitatorio constante) es siempre horizontal. Eso es cierto solo en la superficie de la Tierra y a simple vista, debido a la acción de la gravedad constante. Si no hay acciones gravitatorias, la superficie de un fluido es esférica y, por tanto, no horizontal.
  3. En los fluidos en reposo, un punto cualquiera de una masa líquida está sometida a una presión que es función únicamente de la profundidad a la que se encuentra el punto. Otro punto a la misma profundidad, tendrá la misma presión. A la superficie imaginaria que pasa por ambos puntos se llama superficie equipotencial de presión o superficie isobárica.

Aplicaciones

Frenos hidráulicos

Muchos automóviles tienen sistemas de frenado antibloqueo (ABS, siglas en inglés) para impedir que la fuerza de fricción de los frenos bloqueen las ruedas, provocando que el automóvil derrape. En un sistema de frenado antibloqueo un sensor controla la rotación de las ruedas del coche cuando los frenos entran en funcionamiento. Si una rueda está a punto de bloquearse los sensores detectan que la velocidad de rotación está bajando de forma brusca, y disminuyen la presión del freno un instante para impedir que se bloquee. Comparándolo con los sistemas de frenado tradicionales, los sistemas de frenado antibloqueo consiguen que el conductor controle con más eficacia el automóvil en estas situaciones, sobre todo si la carretera está mojada o cubierta por la nieve.

Refrigeración

La refrigeración se basa en la aplicación alternativa de presión elevada y baja, haciendo circular un fluido en los momentos de presión por una tubería. Cuando el fluido pasa de presión elevada a baja en el evaporador, el fluido se enfría y retira el calor dentro del refrigerador.

El fluido se encuentra en un circuito cerrado, el que comienza en el compresor. Es allí donde el fluido refrigerante, en estado gaseoso, es comprimido a una alta presión y alta temperatura; luego, por medio de una tubería, es enviado al condensador donde, manteniendo la presión, será enfriado de forma tal que pasará de estado gaseoso al líquido. Terminado este proceso, el fluido líquido será dirigido a través de otra tubería hasta el evaporador, donde a través de una válvula de estrangulación —que puede ser una tubería capilar, una válvula de expansión termostática (VET) u otra— después de la cual se "libera" el líquido a un ambiente de baja presión (como es el evaporador), produciéndose la violenta evaporación del líquido para lo cual se transfiere el calor necesario generando el "enfriamiento" del ambiente situado alrededor de la tubería y por consecuencia de los productos a refrigerar. Luego el gas retorna al compresor a través de la línea (tubería) de retorno, completando el circuito de refrigeración por compresión.

Neumáticos de los automóviles

Se inflan a una presión de 206 842 Pa, lo que equivale a 30 psi (utilizando el psi como unidad de presión relativa a la presión atmosférica). Esto se hace para que los neumáticos tengan elasticidad ante fuertes golpes (muy frecuentes al ir en el automóvil). El aire queda encerrado a mayor presión que la atmosférica dentro de las cámaras (aproximadamente 2 veces mayor), y en los neumáticos más modernos entre la cubierta de caucho flexible y la llanta que es de un metal rígido.

Presión ejercida por los líquidos

La presión que se origina en la superficie libre de los líquidos contenidos en tubos capilares, o en gotas líquidas se denomina presión capilar de estas

Se produce debido a la tensión superficial. En una gota es inversamente proporcional a su radio, llegando a alcanzar valores considerables.

Por ejemplo, en una gota de mercurio de una diezmilésima de milímetro de diámetro hay una presión capilar de 100 atmósferas. La presión hidrostática corresponde al cociente entre la fuerza normal (F) que actúa, en el seno de un fluido, sobre una cara de un cuerpo y que es independiente de la orientación de esta.

Depende únicamente de la profundidad a la que se encuentra situado el elemento considerado. La de un vapor, que se encuentra en equilibrio dinámico con un sólido o líquido a una temperatura cualquiera y que depende únicamente de dicha temperatura y no del volumen, se designa con el nombre de presión de vapor o saturación.

Unidades de medida, presión y sus factores de conversión

La presión atmosférica media es de 101 325 pascales (101,3 kPa)[6] a nivel del mar, donde 1 atm = 1,01325 bar = 101 325 Pa = 1,033 kgf/cm² y 1 mca = 9,81 kPa.

Unidades de presión y sus factores de conversión
  pascal bar N/mm² kp/m² kp/cm² atm Torr psi
1 Pa (N/m²) 110−510−6 0,1020,102×10−40,987×10−50,00750,00014503
1 bar (10 N/cm²) 10510,1102001,02 0,98775014,5036
1 N/mm² 1061011,02×10510,2 9,877500145,0536
1 kp/m² 9,819,81×10−59,81×10−6 110−40,968×10−40,07360,001422
1 kp/cm² = 9,81x1040,9810,0981100001 0,96873614,22094
1 atm (760 Torr) 1013251,013250,1013103301,033 176014,69480
1 Torr (mmHg) 133,320,00133321,3332×10−4 13,61,36x10−31,32x10−310,019336
1 psi (lb/in²) 6894,757290,0689480,006894703,1880,07031880,06804651,71491

Las obsoletas unidades manométricas de presión, como el milímetro de mercurio (aún usado en medicina)[7], están basadas en la presión ejercida por el peso de algún fluido de referencia bajo cierta gravedad estándar. También se utilizan los milímetros de columna de agua.

Véase también

Magnitudes físicas

Medicina

Referencias

  1. Giancoli, Douglas G. (2004). Physics: principles with applications (en inglés) (6 edición). Upper Saddle River, New Jersey (Estados Unidos): Pearson Education. ISBN 0-13-060620-0.
  2. La P mayúscula se utiliza también como símbolo para potencia.
  3. Domínguez, Esteban José; Ferrer, Julián (2017). Mecanizado básico. Novedad 2017. Editex. ISBN 9788491610465. Consultado el 1 de marzo de 2018.
  4. Wilson, Jerry D.; Buffa, Anthony J. (2003). Física. Pearson Educación. ISBN 9789702604259. Consultado el 1 de marzo de 2018.
  5. Sánchez, José Acedo (2006). Instrumentación y control avanzado de procesos. Ediciones Díaz de Santos. ISBN 9788479787547. Consultado el 1 de marzo de 2018.
  6. Viloria, José Roldán (1 de octubre de 2012). Tecnología y circuitos de aplicación de neumática hidráulica y electricidad. Editorial Paraninfo. ISBN 978-84-283-3370-2. Consultado el 26 de noviembre de 2019.
  7. «¿Qué es la presión arterial alta?». American Heart Association. Consultado el 10 de junio de 2020.

Enlaces externos

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