Definición de hidrostática
Se denomina hidrostática a la especialidad de la física dedicada al análisis del equilibrio de los fluidos. Se trata de la rama de esta ciencia que se orienta a la investigación de los fenómenos vinculados a los fluidos que se hallan en un contenedor o recipiente.
Para definir qué es la hidrostática, por lo tanto, resulta indispensable hacer referencia primero a los fluidos. Un fluido es una sustancia cuyas moléculas están unidas por una fuerza de atracción o cohesión débil. Estas sustancias, que son líquidos o gases, adoptan la forma del recipiente que las contiene; en el caso de los gases, además carecen de volumen propio.
Los fluidos presentan cohesión (una fuerza que permite que las moléculas se mantengan unidas), tensión superficial (vinculada a la atracción que ejercen entre sí las moléculas que se hallan en la superficie), adherencia (la atracción entre moléculas de dos sustancias distintas que están en contacto) y capilaridad (el fenómeno que se produce cuando un fluido está en contacto con una pared sólida). La hidrostática, que es una rama de la hidráulica, tiene en cuenta estas características para desarrollar sus estudios.
Con respecto a la hidráulica, podemos decir que se trata de la parte de la física que se dedica al estudio de los líquidos, tomando en cuenta su comportamiento en referencia a sus propiedades específicas. En otras palabras, observa sus propiedades mecánicas según las fuerzas a las cuales los someten. Además de las fuerzas que se apliquen sobre su masa, es muy importante tomar en cuenta su viscosidad.
El concepto de viscosidad hace referencia a la medida de la resistencia que los fluidos presentan a cualquier deformación gradual generada por tensiones cortantes o de tracción. Aquí encontramos otros dos conceptos:
* se denomina tensión cortante o de corte a la que impacta de manera tangencial a un plano dado. Por lo general se representa con la letra griega tau;
* la tensión de tracción, por otro lado, es el esfuerzo interno al cual se somete a un cuerpo al aplicarle dos fuerzas que poseen sentidos oupestos con tendencia a estirarlo. Esto es de importancia en los ámbitos de la ingeniería y del cálculo de estructuras.
El principio de Pascal y el principio de Arquímedes son las bases de la hidrostática. La ley desarrollada por Blaise Pascal en el siglo XVII indica que, cuando se le aplica presión a un líquido no comprimible en un contenedor cerrado, dicha presión se transmite en todos los sentidos y direcciones con la misma intensidad. El principio de Arquímedes (siglo III a.C.), en tanto, señala que todo cuerpo que está sumergido en un fluido es empujado hacia arriba por una fuerza idéntica al peso del volumen del líquido que el cuerpo en cuestión desplaza.
En este contexto, es necesario aprender la ecuación fundamental de la hidrostática, que a su vez posee tres formas. Cuando un líquido se encuentra en reposo es posible aislar un volumen infinitesimal compuesto por un prisma rectangular cuya base es A y su altura dz. En dicha base se mide la presión p y en la superior, p + dp. Si tomamos como referencia un plano horizontal desde el cual se miden los diferentes valores de altura en el eje z, entonces el equilibrio se obtiene mediante la primera fórmula que se aprecia a continuación:
p.A – (p + dp).A – ρ.g.A.dz = 0
Luego de despejarla, se obtiene la siguiente:
dp / ρ = -g.dz
Como referencia, y es la altura piezométrica, ρ es la densidad, p es la presión, g es la aceleración de la gravedad y z es la cota del punto. Seguidamente veremos las tres formas de la ecuación de la hidrostática de fluidos en reposo:
* primera forma: p/ρ + z.g = y;
* segunda forma: p/ρ.g + z = y;
* tercera forma: p + ρ.g.z = y.