14.1 Fluidos, densidad y presión

Un fluido es un estado de la materia que cede a las fuerzas laterales o de cizallamiento. Tanto los líquidos como los gases son fluidos. La estática de los fluidos es la física de los fluidos estacionarios.
La densidad es la masa por unidad de volumen de una sustancia u objeto, definida como $ρ = m / V .$ La unidad SI de densidad es ${kg/m}^{3} .$
La presión es la fuerza por unidad de superficie perpendicular sobre la que se aplica la fuerza, $p = F / A .$ La unidad SI de presión es el pascal: $1 Pa = 1 {N/m}^{2}$
La presión debido al peso de un líquido de densidad constante viene dada por $p = ρ g h$ , donde p es la presión, h es la profundidad del líquido, $ρ$ es la densidad del líquido y g es la aceleración debido a la gravedad.

14.2 Medir la presión

La presión manométrica es la presión relativa a la presión atmosférica.
La presión absoluta es la suma de la presión manométrica y la presión atmosférica.
Los manómetros de tubo abierto tienen tubos en forma de U y un extremo está siempre abierto. Se usan para medir presión. Un barómetro de mercurio es un aparato que mide presión atmosférica.
La unidad de presión del SI es el pascal (Pa), pero se suelen usar otras unidades.

La presión es la fuerza por unidad de área.
Un cambio en la presión aplicada a un fluido encerrado se transmite sin disminuir a todas las porciones del fluido y a las paredes de su recipiente.
Un sistema hidráulico es un sistema de fluidos cerrado que se usa para ejercer fuerzas.

La fuerza de flotación es la fuerza ascendente neta sobre cualquier objeto en cualquier fluido. Si la fuerza de flotación es mayor que el peso del objeto, este subirá a la superficie y flotará. Si la fuerza de flotación es menor que el peso del objeto, este se hundirá. Si la fuerza de flotación es igual al peso del objeto, este puede permanecer suspendido a su profundidad actual. La fuerza de flotación está siempre presente y actúa sobre cualquier objeto sumergido parcial o totalmente en un fluido.
El principio de Arquímedes establece que la fuerza de flotación de un objeto es igual al peso del fluido que desplaza.

La tasa de flujo Q se define como el volumen V que pasa por un punto en el tiempo t, o $Q = \frac{d V}{d t}$ donde V es el volumen y t es el tiempo. La unidad SI de la tasa de flujo es $m^{3} /s,$ pero se pueden usar otros índices, como L/min.
La tasa de flujo y la velocidad están relacionadas por $Q = A v$ donde A es el área de la sección transversal del flujo y v es su velocidad media.
La ecuación de continuidad establece que para un fluido incompresible la masa que entra en una tubería debe ser igual a la masa que sale de ella.

La ecuación de Bernoulli establece que la suma en cada lado de la siguiente ecuación es constante, o la misma en dos puntos cualesquiera de un fluido incompresible sin fricción:
$p_{1} + \frac{1}{2} ρ v_{1}^{2} + ρ g h_{1} = p_{2} + \frac{1}{2} ρ v_{2}^{2} + ρ g h_{2} .$
El principio de Bernoulli es la ecuación de Bernoulli aplicada a situaciones en las que la altura del fluido es constante. Los términos que implican profundidad (o altura h) se restan, con lo que se obtiene
$p_{1} + \frac{1}{2} ρ v_{1}^{2} = p_{2} + \frac{1}{2} ρ v_{2}^{2} .$
El principio de Bernoulli tiene muchas aplicaciones, como arrastre y medición de la velocidad.

El flujo laminar se caracteriza por un flujo suave del fluido en capas que no se mezclan.
La turbulencia se caracteriza por torbellinos y remolinos que mezclan capas de fluido.
Viscosidad del fluido $η$ se debe a la fricción dentro de un fluido.
El flujo es proporcional a la diferencia de presión e inversamente proporcional a la resistencia:
$Q = \frac{p - 2 p_{1}}{R} .$
La caída de presión causada por el flujo y la resistencia viene dada por $p_{2} - p_{1} = R Q$ .
El número de Reynolds $N_{R}$ puede revelar si el flujo es laminar o turbulento. Es $N_{R} = \frac{2 ρ v r}{η}$ .
Para $N_{R}$ por debajo de unos 2.000, el flujo es laminar. Para $N_{R}$ por encima de unos 3.000, el flujo es turbulento. Para valores de $N_{R}$ entre 2.000 y 3.000, puede ser cualquiera de los dos o ambos.