Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Ecuación de continuidad y el efecto Venturi


Introducción

En la mecánica de fluidos, entender el flujo de fluidos es crucial para todo, desde el diseño de tuberías hasta el funcionamiento de aeronaves. Dos conceptos clave que describen el comportamiento de los fluidos son la ecuación de continuidad y el efecto Venturi. Estos principios describen cómo la velocidad del fluido, la presión y el área de la sección transversal están relacionados bajo la ley de conservación de la masa, lo que permite a ingenieros y científicos predecir cómo se comportarán los fluidos bajo diferentes condiciones.

Ecuación de continuidad

La ecuación de continuidad es una declaración matemática de la conservación de la masa en un sistema de flujo de fluidos. Nos dice que para un fluido incompresible que fluye en una tubería, la tasa de flujo de masa debe permanecer constante de una sección transversal a la siguiente.

Comprender el concepto

Imagine agua fluyendo a través de una manguera. Si la manguera se comprime en algún punto, creando un paso más estrecho, la velocidad del agua en esta parte más estrecha aumentará. La ecuación de continuidad explica este comportamiento.

El principio de conservación de la masa establece que la masa no puede ser creada o destruida. En el contexto del flujo de fluidos, este principio indica que la cantidad de fluido que entra en un sistema debe ser igual a la cantidad de fluido que sale de él, siempre que el fluido sea incompresible.

Formulación matemática

Para un flujo constante, la tasa de flujo de la masa del fluido que pasa por cualquier sección permanece constante. Esto se puede expresar matemáticamente como:

A₁v₁ = A₂v₂

Aquí, A₁ y A₂ son las áreas de la sección transversal en los puntos 1 y 2, respectivamente, y v₁ y v₂ son las velocidades del flujo en estos puntos. La ecuación nos dice que el producto del área de la sección transversal y la velocidad en cualquier punto a lo largo del flujo debe permanecer constante.

Esto implica que si se reduce el área de la sección transversal (A), la velocidad del flujo (v) debe aumentar para mantener la misma tasa de flujo, y viceversa.

A₁ A₂ V₂ V₁

La figura anterior muestra una tubería simplificada con diferentes áreas de sección transversal. En la parte más ancha, el área es A₁, y el fluido fluye con velocidad v₁. En la parte más estrecha, el área es A₂, y la velocidad es v₂. Según la ecuación de continuidad, A₁v₁ = A₂v₂.

Efecto Venturi

El efecto Venturi es un fenómeno en el cual la velocidad de un fluido aumenta a medida que pasa a través de una constricción en una tubería, causando una disminución en la presión estática. Este efecto es una aplicación del principio de Bernoulli, que establece que un aumento en la velocidad del fluido va acompañado de una disminución en la presión o una disminución en la energía potencial del fluido.

Cómo funciona

Cuando un fluido entra en una sección estrecha de una tubería, su velocidad aumenta y la presión disminuye. Esto ocurre porque el fluido tiene que conservar energía; a medida que aumenta la energía cinética (debido a la mayor velocidad), la energía de presión disminuye.

Efecto Venturi en la vida real

El efecto Venturi se utiliza en muchas industrias. Algunos de los usos más comunes incluyen carburadores en vehículos, donde este efecto ayuda a mezclar aire con combustible de manera eficiente, y en aplicaciones médicas como la máscara Venturi, que suministra tasas de oxígeno controladas a los pacientes.

En el ejemplo visual anterior, podemos ver una tubería con una sección estrecha en el medio. El fluido se acelera al pasar por la sección estrecha, lo que reduce su presión. Este cambio en la dinámica del fluido debido a un cambio en el área de la sección transversal es una demostración del efecto Venturi.

Principio de Bernoulli

El efecto Venturi también se puede entender a partir de la ecuación de Bernoulli, que es la siguiente:

P₁ + 0.5 * ρ * v₁² + ρgh₁ = P₂ + 0.5 * ρ * v₂² + ρgh₂

Aquí:

  • P es la presión.
  • ρ es la densidad del fluido.
  • v es la velocidad del fluido.
  • g es la aceleración debido a la gravedad.
  • h es la altura.

Esta ecuación nos muestra cómo cambian la energía de presión, la energía cinética y la energía potencial durante el flujo del fluido. A medida que el fluido se mueve a través de una sección constreñida en el efecto Venturi, el término de velocidad v² se hace más grande y entonces la presión P disminuye.

Ejemplo práctico

Considere una simple manguera de jardín con una boquilla que reduce el diámetro de la salida. Aplicando la ecuación de continuidad, la velocidad del agua aumenta en la boquilla estrecha debido al área reducida.

Suponga que el diámetro interno de la manguera de jardín es 2 cm y la boquilla lo reduce a 1 cm. Si la velocidad del agua en la manguera es 2 m/s, ¿cuál será la velocidad en la boquilla?

Dado: D₁ = 2 cm → A₁ = π(1 cm)² D₂ = 1 cm → A₂ = π(0.5 cm)² v₁ = 2 m/s Encontrar v₂. Usando A₁v₁ = A₂v₂: π(1)² * 2 = π(0.5)² * v₂ => v₂ = (1)² * 2 / (0.5)² => v₂ = 8 m/s.

Aquí, como el área se reduce en un factor de cuatro, la velocidad aumenta en la misma cantidad, demostrando ambos aspectos de la ecuación de continuidad y el efecto Venturi, ya que el aumento en la velocidad está correlacionado con el cambio en la presión.

Conclusión

La ecuación de continuidad y el efecto Venturi son conceptos fundamentales en la mecánica de fluidos. Describen cómo se mueven los fluidos en diferentes áreas de sección transversal y cómo estos cambios afectan propiedades como la velocidad y la presión. Estos conceptos son útiles en muchas aplicaciones prácticas en una variedad de campos, haciéndolos valiosos no solo para aquellos que estudian física, sino también para ingeniería, meteorología y otros campos.


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Ecuación de continuidad y el efecto Venturi

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