Pascal y la Presión Atmosférica

Principio de Pascal y presión atmosférica

Procedimiento seguido a lo largo de la investigación previa

Tras un primer análisis de los distintos temas que podíamos elegir hicimos una selección previa de las materias que más nos llamaban la atención. Estas fueron el principio de Pascal, presión atmosférica y origen y estructura del Universo. Además también debíamos de tener en cuenta las distintas posibilidades que nos permitía cada contenido, es decir, experiencias curiosas posibles de recrear que fueran atractivas para la gente. Finalmente nos tocó “Presión atmosférica y principio de Pascal”, materia en la que estamos interesados y sobre la cual nos vemos capacitados de hacer un trabajo interesante.

Nuestra primera idea sobre la presión atmosférica nos vino de las experiencias y el informe científico sobre estas, que hicimos en la primera evaluación. Después de estos trabajos nos pudimos hacer una ligera idea ello, pero más adelante el contenido del libro nos aportó más información teórica que también nos es útil. Para acabar la investigación previa, leímos varias de las páginas webs propuestas, sin embargo no nos ayudaron tanto como lo anterior.

Los objetivos y contenidos científicos de los experimentos

Durante nuestra exposición, llevaremos a cabo diversos experimentos con los que pondremos en evidencia la existencia de los fenómenos de presión atmosférica y principio de pascal.

Para explicar el concepto de presión, llevaremos a cabo una rápida experiencia, “el experimento de la nieve”. En esta experiencia simularemos la nieve, usando un componente presente en los pañales, el poliacrilato de sodio, y únicamente un poco de agua. Al mezclar ambos materiales, obtenemos una mezcla muy similar a la nieve, que utilizaremos para aclarar los conceptos de presión. El objetivo del experimento es comprobar como un objeto, A, de la misma masa que otro, B, se hundirá menos en nuestra “nieve” si está apoyado sobre una superficie mayor. La explicación de esto, bastante sencilla, no es otra que la propia definición de presión y su fórmula: p = F/s. Por tanto, dos objetos de la misma masa, ejercerán la misma fuerza sobre la “nieve” al estar ambos entre la atmósfera (en el caso de que la aceleración sea la misma, que lo es, ya que es la aceleración de la gravedad) Así que lo único que nos queda es la superficie, que sabemos que la de A es mayor que la del objeto B. Por consiguiente, con la misma fuerza, la presión será menor si aumentamos la superficie del objeto. Por tanto, si hacemos esto, la consecuencia que tendrá será que el objeto de mayor superficie se hundirá menos que el que tiene menor superficie. (Lo que ocurre cuando usamos unos esquís o unas raquetas de nieve).  Nota: la falsa nieve tendrá que prepararse 5 minutos antes de empezar para así estar lista. Además, cuenta con la ventaja de evitar la “descongelación”, ya que lo único que se necesita para mantenerla en este estado, no es la temperatura, sino el hecho de que esté continuamente siendo humedecida. (cada 5 minutos aproximadamente)

El segundo de ellos consiste en desafiar las leyes de la gravedad al impedir que caiga agua de un vaso puesto boca-abajo. No necesitaremos nada más que un vaso, agua y una hoja de papel. La elaboración es extremadamente sencilla también, ya que solo requiere que llenemos el vaso con agua, dejando una capa de aire, y lo tapemos con la hoja de papel. Si le damos la vuelta con cuidado, podremos, sin retirar el papel, y observar como el agua se mantiene en el vaso.

Aquí tenemos una foto de un experimento hecho por nosotros mismos:

A continuación procederemos a explicar el porqué de esta curiosa experiencia:

De manera simple, podemos decir que la hoja de papel está sufriendo la presión de toda la atmósfera, que la empuja hacia arriba, a la vez que todas las partículas del agua, atraídas por la gravedad, ejercen la fuerza del peso hacia abajo. Por lo tanto, la suma de estas fuerzas (resultante), crea una condición de equilibrio (resultante -> = (0,0)). No olvidemos que esto es un equilibrio inestable, que nos permite disfrutar del fenómeno por unos momentos.

El siguiente experimento tratará de explicar la enorme presión que ejerce la atmósfera. Conseguiremos demostrarlo al hacer el vacío en un recipiente. Para llevar a cabo la experiencia necesitamos un vaso amplio, una bandeja pesada, una tira de papel de cocina absorbente, una bola de papel, alcohol y un mechero. En primer lugar colocamos la tira de papel de cocina humedecida sobre la bandeja. De esta manera no habrá intercambio de gases entre el vaso y el exterior. Después mojamos la bola de papel con alcohol y la dejamos encima, para seguidamente prenderla y taparla con el vaso. Esperaremos unos segundos hasta que el fuego consuma todo el oxígeno del interior y se apague la llama, ese será el momento en el que se haya hecho el vacío total. Para terminar ponemos peso encima de la bandeja y la levantamos tirando del vaso para así probar su resistencia.

La cámara de vacío se define como una cavidad cerrada donde la presión del aire u otros gases es menor que la atmósfera. Debido a la diferencia de presiones entre el interior y el exterior se crea una fuerza que mantiene mesa y vaso unidos.

El último de nuestros experimentos se basa en el principio de Pascal. Este principio dice que la presión ejercida sobre un líquido el equilibrio se transmite íntegramente a todos los puntos del mismo con la misma intensidad. Para verla físicamente realizaremos el siguiente experimento: tomaremos una botella de plástico y la agujerearemos tres veces con lo cual tendremos un resultado de una botella con tres agujeros. Cada uno de ellos será cubierto por un corcho, incluyendo la apertura principal. La ejecución es simple: haremos una pequeña fuerza en el corcho de apertura principal y veremos cómo el resultado es el siguiente: el resto de tapones menores colocados los agujeros de la botella saldrán despedidos como efecto de la presión ejercida en el tapón principal. Esto se explica fácilmente como consecuencia de la presión ejercida en el tapón principal, que se transmite íntegramente a todos los puntos del medio, la botella.

El guión que vais a seguir durante el espectáculo

Comenzaremos explicando de manera sencilla el concepto de presión.

“Probablemente sepáis que existen fuerzas que aplicadas cambian su estado cinemático o deforman su apariencia. Pues bien, cuando las fuerzas son ejercidas sobre fluidos sus efectos se describen a partir de una magnitud física llamada presión.

Imaginemos la siguiente situación: estamos esquiando y comenzamos a andar por la nieve con las botas de esquiar ¿Que nos pasará?... Nos hundiremos en la nieve y nos será más difícil caminar, pero y si se nos sube alguien encima ¿Qué cambiará ahora?... si continúas andando verás que te hundes aún más que antes. No obstante si te vuelves a poner los esquís verás como vuelves a mantenerte con normalidad sobre la superficie.  Realizamos el “experimento de la nieve”

Lo mismo pasa cuando usamos un cuchillo afilado o uno sin afilar. El que más puntiagudo sea más presión ejercerá y por lo tanto mejor cortará.

De la experiencia anterior podemos observar que la presión varía según la masa del cuerpo y la superficie en la que se apoya. Ahora, si yo te digo que:

• Cuanta mayor es la superficie de apoyo menos nos hundimos.
• A mayor peso más nos hundimos.

¿Podrías deducir la ecuación de la presión?

Solo hay que tener en cuenta que la fuerza “F” es una variable directamente proporcional y la superficie “S” una inversamente proporcional, por lo tanto:

p=FS

A continuación Principio de Pascal:

“La presión ejercida sobre un líquida en equilibrio se transmite íntegramente a todos los puntos del mismo con la misma intensidad”

Realización del experimento de la botella.

Aplicaciones importantes del Principio de Pascal

• Prensa hidráulica

Al aplicar una fuerza (F1) sobre el pistón de menor sección (S1) se ejerce una presión:

p=F1S1

que se transmite íntegramente al pistón de mayor sección, según la ecuación:

p=F2S2  

Como la presión es igual en ambos pistones según el Principio de Pascal:

F1S1=F2S2

Este efecto hace que la fuerza (F1) ejercida se transforme en una fuerza (F2) mayor cuyo valor vendrá dado por la expresión:

F2=F1S2S1

En conclusión, una fuerza se puede multiplicar tanto como queramos, tan solo necesitamos un dispositivo de dos pistones de superficies diferentes, de tal manera que la fuerza resultante será tanto mayor cuanto mayor sea la proporción entre las secciones.

Enseñar vídeo de su funcionamiento.

• Frenos de automóvil

Se da la misma función

Una vez asentados una serie de conocimientos pasamos a explicar la presión atmosférica. Sabemos que la atmósfera es una envoltura gaseosa que rodea la Tierra, formada en su mayoría de nitrógeno y oxígeno. Estos gases están sometidos a la atracción gravitatoria, por tanto pesan y ejercen una presión importante sobre nosotros. A dicha presión la llamamos presión atmosférica. Es evidente que la presión es menor a medida que ascendemos, ya que tenemos menos aire encima, y mayor cuando nos encontramos en la superficie o bajo el agua.

Finalizamos con el experimento del vaso de agua y cámara de vacío

Materiales que vamos a necesitar

• Pañales 10 unidades
• Agua (del grifo)
• Recipiente profundo
• Esferas de plomo 2 unidades (o material de considerable masa)
• Hoja de papel
• Vaso de cristal
• Botella de plástico agujereada
• Corchos 4 unidades
• Ordenador (el del colegio)