Medios deformables: noción de presión
Medios deformables e indeformables
Ante la acción de fuerzas, todos los cuerpos experimentan algún tipo de deformación, aunque no sea perceptible a simple vista. Sin embargo, la física considera, a efectos prácticos, que algunos cuerpos son indeformables, en el sentido de que las distancias relativas entre sus puntos permanecen siempre fijas.
Por otra parte, dentro de los cuerpos deformables se consideran también dos grandes grupos:
- Cuerpos elásticos, que son aquellos que recuperan su forma original, no deformada, cuando deja de actuar la fuerza que se ejercía sobre ellos.
- Cuerpos no elásticos, en los cuales una fuerza aplicada origina deformaciones permanentes.
En los cuerpos elásticos, las deformaciones causadas son directamente proporcionales a las magnitudes de las fuerzas aplicadas.
Ley de Hooke
El comportamiento de los cuerpos elásticos constituye un fenómeno de notable interés para la física. Según la llamada ley de Hooke, las deformaciones causadas en un cuerpo elástico son directamente proporcionales a las fuerzas que las provocan. Es decir:
siendo F la fuerza aplicada, Dx el valor de la deformación y k? una constante de proporcionalidad.
La inversa de esta constante, simbolizada por k = 1 / k?, se denomina constante elástica, y es característica de cada cuerpo. De acuerdo con este principio, para distintas fuerzas aplicadas sobre un cuerpo elástico se producen diferentes deformaciones proporcionales a ellas:
Gráfica del comportamiento de un dinamómetro cuya constante de elasticidad es igual a 1 N / cm.
Elementos de una fuerza
Las fuerzas que se aplican sobre los cuerpos e inducen deformaciones en ellos son magnitudes vectoriales que se caracterizan por cuatro propiedades fundamentales:
- Un módulo o intensidad, representado por la longitud del vector.
- Una dirección o línea de acción de la fuerza.
- Un sentido, dentro de la dirección dada, que se simboliza por una flecha.
- Un punto de aplicación (origen del vector fuerza).
Elementos de un vector (por ejemplo, una fuerza).
La presión
El grado de deformación que sufre un cuerpo depende de la magnitud de la fuerza y de la extensión de superficie sobre la que ésta se aplique. En tal sentido, se define presión como la magnitud determinada por el cociente entre el módulo de la fuerza F y la superficie S perpendicular sobre la que se ejerce.
La presión es una magnitud escalar, que queda definida íntegramente por una cantidad numérica.
Para una fuerza dada, la presión es tanto mayor cuanto menor sea la superficie sobre la que se aplica, y a la inversa. Este principio se aprovecha en numerosos mecanismos y dispositivos cotidianos; por ejemplo:- Las agujas y los cuchillos tienen punta o filo (de superficie muy pequeña) para obtener una presión máxima con una fuerza moderada.
- Los esquíes y las traviesas del ferrocarril sirven para aumentar la superficie de apoyo y evitar que el esquiador se hunda en la nieve o el tren se aplaste contra el suelo.
Fuerzas de rozamiento
Una forma especial de fuerzas que actúan sobre los cuerpos es el rozamiento. Las fuerzas de rozamiento o fricción se oponen siempre al desplazamiento de los cuerpos y se explican como el resultado del roce de las partículas de éstos con las del medio que los rodea (por ejemplo, el aire y el suelo). En el caso particular de un cuerpo que se desliza por una superficie inclinada:
- Las fuerzas de rozamiento no varían con la velocidad del cuerpo en movimiento ni con la extensión de la superficie de contacto.
- El módulo de estas fuerzas es directamente proporcional al valor de la fuerza normal que actúa entre el cuerpo y la superficie de contacto; la constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de rozamiento, se simboliza por m y carece de dimensiones:
siendo N la fuerza normal.
El sólido rígido
Todo cuerpo considerado indeformable se denomina genéricamente sólido rígido. Al interpretarse como un sistema ideal donde las distancias relativas entre sus puntos permanecen siempre fijas, el sólido rígido sirve como modelo para numerosos estudios teóricos sobre movimientos de traslación y rotación.
El dinamómetro
Un dinamómetro es un resorte o muelle que se estira, al ser sometido a deformación, a lo largo de una escala graduada. Por su carácter elástico, cumple la ley de Hooke, por la cual es posible determinar la magnitud de las fuerzas aplicadas midiendo el valor de la deformación del muelle sobre la escala.
Unidades de presión
Microscopio de Robert Hooke.
La unidad de presión en el Sistema Internacional es el pascal (símbolo Pa), que es igual a un newton (N) dividido por un metro cuadrado, es decir: 1 Pa = 1 N/m 2 ; también se usa con frecuencia su múltiplo llamado kilopascal (símbolo kPa).
Otras unidades muy utilizadas de presión son el milibar (equivalente a 100 Pa) y su múltiplo el bar (igual a 1.000 milibares), y la atmósfera (1 atm = =101.292 Pa » 105 Pa).Robert Hooke (1635- 1703), que trabajó con Robert Boyle en la construcción de la bomba de aire para el estudio de la presión, realizó una de sus principales aportaciones a la ciencia con el descubrimiento de la ley empírica de la elasticidad.