Fórmula y Unidades de Presión ¿Qué es la presión en la ciencia?

¿Qué es la presión?

¿Qué es la presión en física? La presión (símbolo: P o p) es la fuerza aplicada perpendicularmente a una superficie dividida por su área. Es una cantidad escalar y solo requiere magnitud. Por ejemplo, el pronóstico del tiempo de un día típico en Los Ángeles, California, indica una presión de 1012 milibares. Este valor describe la cantidad de presión ejercida por el peso de la atmósfera o las moléculas de aire en un área particular. La definición de presión en química también es fuerza por unidad de área, donde la fuerza generalmente es causada por las colisiones de las moléculas de aire en las paredes del recipiente.

Aparte de las moléculas de aire, los sólidos y los líquidos también ejercen presión. La presión en los sólidos depende de la fuerza aplicada o del peso del objeto y del área por la que se ejerce la fuerza. Es directamente proporcional a la fuerza aplicada pero inversamente proporcional al área. Por otro lado, la presión de los líquidos considera la densidad y la profundidad del líquido. A medida que aumentan la densidad y la profundidad, también aumenta la presión del fluido.

¿Cómo se calcula la presión?

La presión tiene una relación directa con la fuerza. Suponiendo que el área es constante, la presión aumenta a medida que aumenta la fuerza aplicada. Una silla pesada, por ejemplo, ejerce una mayor presión sobre el suelo que una caja vacía de la misma superficie. Por otro lado, la presión tiene una relación inversa con el área. A medida que aumenta el área, la presión disminuye a una fuerza constante. Esto explica por qué un clavo puede atravesar la madera pero no un poste grande, incluso si ambos son golpeados con la misma fuerza. Dado que la presión, la fuerza y ​​el área están relacionadas, la presión se puede calcular utilizando las fórmulas que se dan en las secciones siguientes.

Fórmula de presión

Como se mencionó, la presión es la fuerza dividida por el área, considerando que la fuerza se aplica perpendicularmente a la superficie. Esta relación viene dada por la fórmula de la presión:

P = F/A

dónde

P es la presión en Pascales (Pa) o N/m2

F es la fuerza en newtons (N); y

A es el área en metros cuadrados (m2).

Use el Ejemplo 1 para aplicar la fórmula anterior al calcular la presión.

Ejemplo 1

Una mujer de 50 kg trató de pararse sobre un pie mientras usaba un zapato de tacón delgado con un área de 0,50 cm2. (a) ¿Cuánta presión ejerce su zapato de tacón sobre el suelo? (b) ¿Cuánta presión ejercería su pie sobre el piso si usara un zapato de goma en su lugar (área = 20 cm2)?
Paso 1

Identifica las cantidades dadas.

m = 60 kg –> F = mg = (60 kg)(9,8 m/s2) = 588 N

A{eq}_h {/eq} = 0,60 cm2 –> {eq}5\times10^{-5} \text{ m}^2 {/ eq}

A{eq}_r {/eq} = 20 cm{eq}^2 {/eq} {eq}\rightarrow {/eq} 0,002 m{eq}^2 {/eq}
Paso 2

Identifica las cantidades desconocidas.

(a) P{eq}_{h} {/eq} = ?

(b) P{eq}_{r} {/eq} = ?
Paso 3

Proporcione la ecuación correcta.

{eq}P=\frac{F}{A} {/eq}
Etapa 4

Resuelva para las cantidades desconocidas.

(a) {eq}P_h = \frac{F}{A_h} = \frac{588\text{ N}}{5\times 10^{-5}\text{ cm}^2} = 11 760 000 \ texto{ Pa} \rightarrow 1.18 \times 10^{7} \text{ Pa} {/eq}

(b) {eq}P_r = \frac{F}{A_r} = \frac{588\text{ N}}{0.002\text{ m}^2} = 294 000 \text{ Pa} \rightarrow 2.94 \times 10^{5} \text{Pa} {/eq}
Paso 5

Encuentra la respuesta.

La presión ejercida por el zapato de tacón fino en el suelo es de 1,12 × 10{eq}^7 {/eq} Pa, mientras que el zapato de goma ejerció 2,94 × 10{eq}^5 {/eq} Pa. Estos valores mostraron que a fuerza constante, el objeto con un área más pequeña ejerce una presión mayor sobre una superficie.

La ecuación de la presión del fluido se deriva de la expresión anterior, donde la fuerza es equivalente al peso del fluido. La ecuación entonces se convierte en:

{eq}P=\frac{F}{A} = \frac{\rho gh}{A} \rightarrow P = \rho gh {/eq}

dónde

P es presión

{eq}\rho {/eq} es la densidad del fluido,

g es la aceleración de la gravedad (9,8 m/s{eq}^2 {/eq}), y

h es la altura o profundidad del fluido.

La presión del fluido es directamente proporcional a la densidad y la profundidad del fluido. Considere el Ejemplo 2 para determinar cómo usar la ecuación para la presión del fluido.

Ejemplo 2:

El Abismo Challenger es el punto más profundo del océano mundial, alcanzando una profundidad aproximada de 11 km. ¿Cuánta presión actúa en el fondo del Challenger Deep, suponiendo que la densidad del agua salada es constante en 1030 kg/m{eq}^3 {/eq}?
Paso 1

Identifica las cantidades dadas.

h = 11 km {eq}\rightarrow {/eq} 11 000 m

{eq}\rho {/eq} = 1030 kg/m{eq}^3 {/eq}

g = 9,8 m/s{eq}^2 {/eq}
Paso 2

Identifica las cantidades desconocidas.

pag = ?
Paso 3

Proporcione la ecuación correcta.

{eq}P = \rho gh {/eq}
Etapa 4

Resuelva para las cantidades desconocidas.

{eq}P = \rho gh = (1030 \text{ kg/m}^3)(9.8 \text{ m/s}^2)(11 000 \text{ m}) = 111 034 000 \text{ Pa } \rightarrow 1.11 \times 10^8 \text{ Pa} {/eq}
Paso 5

Encuentra la respuesta.

¡La presión en el fondo del abismo Challenger es de 1,11 × 10{eq}^8 {/eq} Pa! Esto es aproximadamente mil veces la presión atmosférica al nivel del mar (1,01 × 10{eq}^5 {/eq} Pa).

Unidades de presión

La unidad SI de presión es el pascal (abreviado como Pa), en honor a Blaise Pascal (1623-1662), quien contribuyó a comprender la presión atmosférica. Un pascal equivale a 1 N/m{eq}^2 {/eq}. Otras unidades de presión y sus correspondientes equivalentes en pascales incluyen:

• La unidad de atmósfera (abreviada como atm) se usa típicamente en la presión del aire. Una atmósfera equivale a 1,013 × 10{eq}^5 {/eq} Pa o 101,3 kPa.
• La barra de unidades se encuentra comúnmente en meteorología, específicamente en mapas meteorológicos. Una barra equivale a 1,00 × 10{eq}^5 {/eq} Pa.

• La unidad milímetro de mercurio (abreviado mm-Hg), también conocida como torr, recibió su nombre del inventor del barómetro Evangelista Torricelli. Un milímetro de mercurio es igual a 133 Pa.
• Otra unidad común de presión es psi o libra por pulgada cuadrada. Una psi (1 lb/in{eq}^2 {/eq}) equivale a 6,90 × 10{eq}^3 {/eq} Pa.

Tipos de presión

Los tipos comunes de presión incluyen:

• Presión de fluido: es causada por el movimiento constante de partículas en un fluido (p. ej., líquidos y gases). La presión del fluido ocurre en condiciones abiertas, como océanos o piscinas, y en entornos cerrados, como fluidos en una tubería de agua o gas.
• Presión negativa: es la presión medida al establecer la presión atmosférica en cero. Ocurre cuando la presión dentro de una habitación o área es más baja que la presión del aire exterior. Las salas de presión negativa se emplean para prevenir la propagación de enfermedades transmitidas por el aire en espacios cerrados.
• Presión del líquido: es causada por el peso del líquido que actúa sobre un área. Su magnitud depende de la profundidad del fluido, la densidad y la aceleración debida a la gravedad. A medida que un objeto se mueve más profundamente en el líquido, la presión del líquido también aumenta.
• Presión de vapor: es la presión que se ejerce sobre las paredes del recipiente cuando se evaporan líquidos o sólidos. La presión de vapor del líquido varía con la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, también aumenta la presión de vapor, ya que más moléculas de gas chocan contra las paredes del recipiente.

Ejemplos de presión

Las aplicaciones y ejemplos de presión se observan diariamente. Algunos de estos ejemplos comunes incluyen lo siguiente:

• Equipos como cuchillos, tijeras y sierras de mano cortan objetos de manera efectiva debido a sus bordes relativamente delgados. Sus pequeñas áreas aseguran que cuando se aplican fuerzas, la presión producida es suficiente para cortar un objeto.
• Los zapatos de fútbol tienen tacos o clavos para garantizar que el peso del jugador se distribuya en un área de superficie más pequeña. Esto crea una presión relativamente grande, suficiente para que los zapatos se hundan en el suelo y proporcionen un mejor agarre.

• Los osos polares y otros animales grandes (por ejemplo, los elefantes) tienen patas anchas para distribuir su peso en un área más grande. Como resultado, el hielo marino no se rompe cuando los osos polares caminan hacia él. También evita que se hundan demasiado mientras caminan en la nieve, de forma similar a como funcionan las raquetas de nieve.

Resumen de la lección

La presión se define como la fuerza aplicada perpendicular a la superficie dividida por la unidad de área. Su unidad SI es el pascal (abreviado como Pa), en honor a las contribuciones de Blaise Pascal para comprender el concepto de presión atmosférica. Otras unidades de presión comunes son la atmósfera (atm), el bar, el milímetro de mercurio (mm-Hg) y la libra por pulgada cuadrada (psi). Aparte de la presión ejercida por objetos sólidos, otros tipos de presión incluyen presión de fluido, presión negativa, presión de líquido y presión de vapor.

La presión se puede calcular usando {eq}P=\frac{F}{A} {/eq}, donde P es la presión, F es la fuerza y ​​A es el área. Esta expresión también indica que la presión está directamente relacionada con la fuerza aplicada pero inversamente relacionada con el área. Explica por qué un zapato de tacón fino ejerce una mayor presión sobre una superficie que los zapatos de goma, dado el mismo peso o fuerza aplicada. Como se deriva de la ecuación anterior, la presión del fluido depende de la densidad, profundidad y aceleración del fluido debido a la gravedad, dada por la ecuación {eq}P=\rho gh {/eq}. Esta expresión indica que la presión del fluido aumenta a medida que aumentan la profundidad y la densidad.