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Física · Unidad 7 — Hidrostática

Densidad y presión

La presión no es lo mismo que la fuerza: es fuerza repartida por unidad de área. Por eso un clavo perfora y un ladrillo apoyado no.

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La explicación

Densidad

δ = m / V

Es una propiedad del material, no del objeto: un clavo y una viga de acero tienen la misma densidad. Por eso sirve para identificar de qué está hecho algo.

Los valores de referencia que conviene tener:

agua: 1.000 kg/m³ = 1 g/cm³
hielo: 920 kg/m³  ·  aceite: ~900 kg/m³
aluminio: 2.700 · acero: 7.800 · mercurio: 13.600

Con el agua como vara, cualquier resultado se controla en un segundo: si te da que un metal flota en agua, hay un error.

La conversión que siempre hace falta: de kg/m³ a g/cm³ se divide por 1000. No hay que rehacerla cada vez.

Presión

p = F / A

Se mide en pascales (1 Pa = 1 N/m²). Es la fuerza repartida sobre la superficie: la misma fuerza puede ser inofensiva o perforar algo, según sobre cuánta área se aplique.

Otras unidades que aparecen:

1 atm = 101.300 Pa ≈ 10⁵ Pa
1 atm = 760 mm de mercurio

La fuerza tiene que ser perpendicular

En la fórmula sólo entra la componente perpendicular a la superficie. Una fuerza que empuja de costado no genera presión sobre esa cara. Si la fuerza viene en ángulo, hay que descomponerla primero y usar sólo la componente normal.

Por qué importa el área

Los ejemplos que hacen entender el concepto:
· Un cuchillo filoso corta mejor no porque se haga más fuerza, sino porque el área es diminuta y la presión enorme.
· Las raquetas de nieve hacen lo contrario: reparten el mismo peso sobre mucha área y la presión baja lo suficiente para no hundirse.
· Un elefante puede ejercer menos presión sobre el suelo que una mujer con tacos: mucho más peso, pero muchísima más área.

Ese último es el que conviene tener a mano: muestra que fuerza y presión no son lo mismo, que es todo el punto del tema.

Peso específico

A veces aparece en vez de la densidad:

ρ = peso / volumen = δ · g

Se mide en N/m³. La diferencia con la densidad es el factor g, y confundirlas cambia el resultado por 10. Mirá siempre la unidad antes que la letra: si viene en kg/m³ es densidad, si viene en N/m³ es peso específico. Y ojo con la notación, que cambia de libro en libro: acá usamos δ para la densidad y ρ para el peso específico, pero en muchos textos —y en varios dibujos— ρ es la densidad y la fórmula de la presión se escribe p = p₀ + ρ·g·h. Es la misma fórmula que nuestra p = p₀ + δ·g·h; lo que no puede pasar es meter dos veces la g.

Control de unidades

Antes de reemplazar, pasá todo al SI: metros, kilogramos, segundos. Los errores de este tema casi nunca son conceptuales — son centímetros mezclados con metros, y como el volumen va al cubo, un factor 100 en la longitud es un factor un millón en el volumen.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Un bloque de aluminio (δ = 2700 kg/m³) mide 20 cm × 10 cm × 5 cm. ¿Cuánta presión ejerce apoyado sobre su cara más grande? ¿Y sobre la más chica? (g = 10)

Volumen (paso todo a metros):

V = 0,2 · 0,1 · 0,05 = 0,001 m³

Masa y peso:

m = δ·V = 2700 · 0,001 = 2,7 kg
P = m·g = 27 N

Sobre la cara grande (20 × 10 cm = 0,02 m²):

p = 27 / 0,02 = 1350 Pa

Sobre la cara chica (10 × 5 cm = 0,005 m²):

p = 27 / 0,005 = 5400 Pa

Es el mismo bloque y el mismo peso, pero cuatro veces más presión: el área es cuatro veces menor. La presión depende de cómo apoyás, el peso no.

Y uno del nivel del parcial

Comparar la presión que ejerce sobre el piso una persona de 60 kg parada sobre un solo taco de aguja de 1 cm² con la que ejerce un elefante de 4.000 kg parado sobre sus cuatro patas, cada una de 0,05 m² de apoyo. (g = 10 m/s²)

El paso que decide el ejercicio es pasar todo a metros cuadrados. Un centímetro cuadrado no es 0,01 m²: es mucho menos, porque el factor se eleva al cuadrado.

1 cm² = (0,01 m)² = 1 × 10⁻⁴ m²

La persona. Todo su peso pasa por ese único centímetro cuadrado:

P = m·g = 60 · 10 = 600 N
p = F / A = 600 / 1 × 10⁻⁴ = 6 × 10⁶ Pa

El elefante. Tiene cuatro patas, así que el área de apoyo es la suma de las cuatro:

A = 4 · 0,05 = 0,2 m²
P = 4.000 · 10 = 40.000 N
p = 40.000 / 0,2 = 2 × 10⁵ Pa

La comparación, que es lo que pide el ejercicio:

6 × 10⁶ / 2 × 10⁵ = 30 veces más el taco

Y eso que el elefante pesa 66 veces más que la persona. La diferencia no está en la fuerza sino en cómo se reparte: el elefante apoya sobre 2.000 veces más área. Por eso un taco de aguja marca el parqué y un elefante no, y por eso las raquetas de nieve funcionan.

Un control de escala que sirve: 6 × 10⁶ Pa son unas 60 atmósferas. Es una presión enorme, del orden de la que hay a 600 metros de profundidad en el mar, concentrada en un centímetro cuadrado del piso de tu casa.

Dónde se pierde el punto: convertir cm² a m² dividiendo por 100 en vez de por 10.000. Ese error cambia el resultado por un factor 100 y da la respuesta al revés.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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