Significado de presión (en física) Definición, fórmula, fluidos, profundidad, y ejercicio
Licenciada en Física
Definición formal
La presión es un escalar dado por la componente perpendicular o normal de la fuerza aplicada por unidad de superficie.
Su fórmula se lee
\({{P}_{m}}=\frac{{{F}_{n}}}{S}\)
Donde Pm significa que se trata de la presión media o promedio, ya que puede variar sobre cada punto del área.
La unidad para la presión en el Sistema Internacional de unidades es el newton/m2 (N/m2), llamada pascal (Pa), en honor al físico francés Blaise Pascal. Esta unidad es muy pequeña: 1 Pa es apenas la presión aproximada que hace una hoja de papel sobre una mesa, así que los múltiplos son frecuentes: kilopascal, megapascal y gigapascal.
Pero la presión es una magnitud física con muchas unidades, ya que cualquier combinación de unidades de fuerza y área puede servir para expresarla. El uso de una u otra unidad depende del contexto, así por ejemplo están las atmósferas, los bares y milibares, los mm de mercurio o los centímetros de agua. Por otra parte, las unidades del sistema anglosajón: libra / pulgada cuadrada o psi, también aparecen con frecuencia en la literatura.
La equivalencia entre pascal y psi es:
1 psi = 6894.757 Pa.
Diferencia entre presión y fuerza
La presión es una magnitud escalar muy útil para estudiar la eficacia de una fuerza aplicada sobre una superficie. Sin embargo, presión y fuerza son dos conceptos diferentes. Por ejemplo, supóngase que hay dos bloques idénticos reposando sobre una superficie plana, pero colocados de diferente manera, uno está vertical y el otro está a lo largo.
Los dos bloques ejercen sobre la superficie la misma fuerza equivalente a su peso, pero la presión de cada uno es diferente. El bloque vertical se sustenta sobre una superficie menor, y por lo tanto hace mayor presión que el bloque puesto horizontalmente, porque reparte su peso sobre un área menor. En cambio, el bloque acostado tiene el peso repartido en un área mayor y su presión es menor. Se concluye de inmediato que una misma fuerza puede producir presiones distintas sobre una superficie.
Esto explica también por qué a una mujer pequeña con zapatos de tacón afilado se le dificulta caminar sobre una superficie blanda: a través del área pequeña del tacón, aún una fuerza menor, como el peso de la mujer, puede ejercer gran presión. Mientras que un hombre grande con zapatos de tacón ancho, aún siendo más pesado, no se hunde con tanta facilidad, ya que la presión que hace sobre el suelo es menor.
Presión en los fluidos
Los fluidos (gases y líquidos) crean presión sobre las paredes de los recipientes que los contienen, gracias a su peso y a las innumerables colisiones que las moléculas del fluido tienen con la superficie. Cuando el fluido es un líquido que está en reposo, la presión que produce se denomina presión hidrostática, si se trata del aire, entonces es la presión aerostática.
Hay una particularidad muy interesante, además, y es que la presión ejercida por un fluido cualquiera en reposo, sobre las paredes del contenedor, es perpendicular a cada punto de la superficie. Además, la presión se ejerce en todas las direcciones, a diferencia de los sólidos, que solo presionan hacia abajo.
Que el agua hace presión sobre las paredes contenedoras se pone en evidencia al soltar el tapón lateral o practicar una perforación al costado de un barril lleno de agua o al observar una tubería con perforaciones: el chorro sale perpendicularmente a la superficie, aunque luego se dobla a medida que cae, bajo el efecto de la gravedad.
Presión y profundidad
En un fluido en reposo, la presión en un punto dado en su interior, debida a la masa de fluido por encima, depende enteramente de la profundidad a la que se encuentre el punto.
Suponiendo que el fluido es incompresible y su densidad permanece constante, que es una buena aproximación para muchos fluidos en condiciones normales, la siguiente expresión matemática permite calcular la presión hidrostática:
P = ρ∙g∙h
Donde P es la presión, ρ es la densidad del fluido, supuesta constante, g es el valor de la aceleración de la gravedad y h es la profundidad del punto, medida a partir de la superficie libre del fluido en reposo, que siempre es horizontal cerca de la superficie terrestre.
A esta presión, que se debe a la columna de fluido sobre el punto en cuestión, hay que sumar la presión atmosférica Patm, que es la presión producida por la masa de gases que componen la atmósfera de la Tierra. El resultado es la presión absoluta Pabs:
Pabs = Patm + ρgh
Sin embargo, los manómetros (aparatos para medir la presión) únicamente miden el valor P = ρgh, por lo que a esta se la conoce como presión manométrica.
La presión atmosférica es muy variable, ya que depende de factores como la altura, temperatura y la humedad, pero en promedio se toma como 101325 Pa al nivel del mar. Este valor da lugar a una unidad de presión llamada atmósfera (atm), donde:
1 atm = 101325 Pa
Ejercicio ilustrativo resuelto
¿Qué presión absoluta soporta un submarino que navega a 150 m de profundidad? Se sabe que la densidad del agua de mar es 1030 kg/ m3.
Respuesta
Se usa la ecuación:
Pabs = Patm + ρ∙g∙h
Y se sustituyen los valores numéricos:
Pabs = 101325 Pa + 1030 kg/ m3 x 9.8 m/s2 x 150 m = 1.62 x 106 Pa = 1.62 MPa.
Trabajo publicado en: Nov., 2020.