Si colocamos una pared vertical dentro del agua, ¿por qué hay presión en la pared vertical? No hay agua sobre la pared, entonces, ¿por qué los físicos dicen que hay presión en la pared vertical?

14.7psi
La presión en un líquido o gas (o polvo, o pozo de bolas, o cualquier cosa que fluya) puede tratarse como una fuerza sin dirección, en lugar de un vector.

Si bien la pregunta es sobre un muro en el medio del agua, consideremos primero un muro de presa de 330 pies (100 m) de altura, con agua solo en un lado. La regla general que usan los buzos es que la presión en el agua aumenta en una atmósfera cada 33 pies (o cada 10 m). Entonces, la presión en el fondo es de 11 atmósferas (porque comenzamos con 1 atmósfera en la superficie del agua, ¡más nuestro cambio en la presión de diez atmósferas!) Una atmósfera es 14.7psi.

Vamos a ver eso. Sabemos que un cubo de agua de 10 cm es un litro, y que un litro pesa 1 kg. Entonces, 1 cuadrado de 1 cm a 100 m de altura es de 10,000 cm, lo que significa que hay 10 kg de fuerza por cm en la parte inferior. Un convertidor en línea (Conversión en línea – Conversión de presión) me dice que 10 kg / cm son 9.67 atmósferas, o 142 psi. ¡Muy cerca, para la regla de oro de un buzo!

Empuje una tubería a través de esa pared, llénela con aceite. El aire en un extremo de la tubería estará en la atmósfera normal 1, mientras que el agua en el otro extremo de nuestra tubería será aplastada por el peso del agua que se encuentra sobre ella, a una presión de 11 atmósferas. La diferencia de presión, entonces, es de 10 atmósferas, o 147 psi. Ese aceite en la tubería saldrá bastante rápido, seguido de mucha agua. Esta diferencia de presión es cómo las turbinas de energía en las represas generan electricidad.

Tenga en cuenta que la pared en sí tiene presión aplicada por sí misma, pero no es un líquido. Entonces, además del peso del agua que da una presión lateral, también está el peso vertical de la pared.

La piedra se hunde en el agua (y, por lo tanto, ¡no es una bruja!). Google me dice que pesa 2500 kg por metro cúbico, por lo que nuestra pared de 100 m estará por debajo de 250000 kg / m ^ 2, o 25 kg / cm ^ 2 de presión, verticalmente. Eso es dos veces y media la presión del agua … entonces, ¿por qué eso no afecta el aceite en la tubería que lo atraviesa, sino la presión del agua y el aire en ambos lados?

La piscina de bolas es la forma más fácil de imaginar esto. Digamos que tienes una piscina de bolas profunda. Si desea probar esto, le recomiendo llenar la oficina de un colega con bolas de billar. Cuando se acerca a su oficina desde el exterior y abre la puerta, ¿qué sucede? ¡Lo entierran bajo una explosión de bolas! Posiblemente navega por el pasillo en la ola de bolas. Luego les compra pizza a todos, encantados con la broma. Esta ola de bolas demuestra la presión lateral que las empuja.

Ejecute el experimento por segunda vez, esta vez simplemente vertiendo ladrillos en la habitación desde arriba. Haz esto en la oficina de alguien que no te guste. Cuando abren la puerta … la pila de ladrillos cae sobre ellos, matándolos o mutilando. Esto demuestra que no hay nada mágico en las cosas redondas: cualquier cosa que pueda fluir puede aplicar presión de lado.

Ahora ejecútelo por tercera vez, pero esta vez apile los ladrillos con cuidado, entrelazándolos. Esta vez, cuando abren la puerta, los ladrillos simplemente permanecen allí, perfectamente apilados. Nadie muere, pero probablemente no consigas ninguna pizza hasta que limpies los ladrillos y aceptes detener estos peligrosos experimentos. Esto demuestra la diferencia entre el concreto y el agua: las partículas de agua (como bolas) actúan como un fluido, fluyendo de lado si esa es la única forma en que puede moverse; El hormigón (y los ladrillos apilados) no puede moverse de su lugar fijo.

Pero, ¿qué sucede si sacas un solo ladrillo del fondo de los ladrillos apilados? Bueno, si los apilas uno encima del otro, entonces toda la pila de arriba caería * SMACK * en el piso una vez que quitaras la primera (suponiendo que lograras evitar volcar la pila sobre tu cabeza). Pero si los hubiera enclavado, como dije, entonces podría quitar ese ladrillo inferior y no se caería nada. Los ladrillos que se superponen al agujero pueden inclinarse un poco, pero eso es todo. Porque la presión se extiende y se comparte de lado a través del sólido. Es por esta razón que la tubería que empujamos a través de la pared no se aplasta por completo: el concreto justo arriba no está siendo presionado hacia abajo en esa tubería por 25 atmósferas de presión. ¿Pero por qué no? Bueno, es porque los átomos alrededor de ese agujero se han extendido un poco, aliviando su presión (a diferencia de los gases, que siguen la ley de Boyle, no se necesita mucho movimiento para aliviar la presión en un sólido), y como esos ladrillos, han transferido esa presión extra al concete al lado del agujero.

Ahora considere la pregunta original, una pared de 100 pies que, en lugar de ser una presa a un lado de un lago, se construyó en el medio de un lago, por lo que tiene el mismo nivel de agua a cada lado. Por lo tanto, tiene la misma presión desde cualquier lado. Taladre un agujero a través de él, llene ese agujero con aceite, y el aceite simplemente se quedará allí (o simplemente burbujeará lentamente por ambos lados, siendo reemplazado por el agua, si es mucho más pesado o más liviano que el agua).

Entonces hay toda esa presión, pero no está haciendo nada. Casi todas las paredes que hemos construido * sobre * el agua, en el aire, están bajo una atmósfera de presión desde ambos lados, pero obviamente, no hace nada.

Ahora, ¿qué pasa si la pared es * más ligera que el agua *? ¿Qué tal si lo hiciéramos con poliestireno expandido? Bueno, si dejamos caer el agua desde la superficie del agua, sucede algo interesante. A medida que se hace más y más profunda, obviamente la presión del agua en los lados de las paredes se cancela, pero la presión del agua en el fondo hace que sea cada vez más difícil empujarla hacia abajo; cuando estamos casi en el fondo, la presión hacia arriba es de diez atmósferas, que, incluso para una pared de un solo metro de sección transversal, es de 100,000 kg o 100 toneladas. Pero suponiendo que podamos empujarlo lo suficientemente fuerte como para golpear el lecho de roca sin romper nuestra pared de estireno, y luego enviamos a alguien a pegar con cinta adhesiva el fondo para que no pueda entrar agua, algo mágico sucede … la pared se queda donde está. No flota No hay presión en el fondo, por lo que no hay nada que lo empuje hacia arriba. 100 toneladas de energía potencial, mantenidas en su lugar con un sello hermético contra la roca madre.

Por supuesto, a 10 kg por cm cuadrado, una pared de poliestireno expandido simplemente se aplastaría antes de llegar a esa profundidad de todos modos, por la presión en los lados, que, aunque se cancela en términos de mover la pared, aún puede aplastarla.

Apliquemos estas respuestas a una situación práctica, el diseño de una presa, que es un muro sólido que obstruye un cuerpo de agua.

Aquí está la presa Hoover cuando el lago Mead comenzó a acumularse detrás de él.

Esta pared vertical también está curvada como un arco horizontal apoyado contra las paredes del cañón, y es progresivamente más gruesa hacia el fondo. La presa Hoover es una presa de arco de gravedad diseñada para resistir la creciente presión del agua con profundidad.


Te preguntarás, ¿no hay presión dentro de la estructura de la presa? No es el tipo de presión que ejercen los fluidos, pero hay tensión estática en los sólidos cuando se ejerce fuerza sobre ellos, y la forma de la presa resuelve esas fuerzas de compresión y tensión con cierta eficiencia. Digo “algo” porque la presa Hoover fue deliberadamente sobredimensionada. Durará mucho más que su utilidad. Milenios, por lo tanto, habrá una cascada sobre la presa Hoover, y sobre todo sedimentos detrás de ella.

Descargo de responsabilidad: solía ser guía en la presa Hoover, hace veinte años.

Las fuerzas de presión están relacionadas con la presión. Si el agua está quieta, los contornos isobares son planos. A ambos lados del muro, a la misma altitud, el muro experimentará fuerzas infinitesimales de direcciones opuestas y permanecerá en equilibrio.
La presión será horizontal debido a la verticalidad de la pared. Pero la presión en general actuará sobre cualquier superficie infinitesimal, perpendicular a ella. Y esto está relacionado con el líquido en reposo. En otras palabras, puede imaginar el líquido como un número infinito de pequeños cubos, digamos, del líquido mismo. Usar la isotropía del medio y estar en reposo le indicará que las fuerzas son perpendiculares a las superficies.

Hasta el nivel molecular, el agua está hecha de pequeños ‘cuerpos’ (moléculas) que se mueven y rebotan unos contra otros. A medida que profundizas en el verte y la presión aumenta, más cuerpos chocan en todas las direcciones.
Su pared vertical se verá impactada horizontalmente mucho más fuerte y con frecuencia en las profundidades.

Es cierto que la gravedad solo empuja hacia abajo. Pero a medida que las moléculas rebotan entre sí, su energía cinética se ‘disipa’ en las otras dos dimensiones, haciendo que la presión sea igual en todas las direcciones.

Consulte la Ley de Pascal:
“La presión actúa por igual en todas las direcciones”.

Bueno, su confusión surge porque está tratando los fluidos como sólidos donde el peso actúa solo verticalmente.

Un pensamiento simple:
Si los fluidos no pueden ejercer presión horizontal, ¿por qué saldría agua inmediatamente cuando haga un agujero en el recipiente?

El hecho de que los fluidos ejerzan presión horizontal es la razón por la que fluyen.

A2A

Imagínese si vierte miles de pequeñas bolas en una caja, luego retire una de las paredes. Suponiendo que la caja es estacionaria con respecto a la Tierra, no en caída libre, la pila de bolas colapsaría, ya que la base de la caja se acelera hacia arriba a 1G, y la forma de las bolas proporciona una fricción horizontal deficiente. El principio de equivalencia de Einstein dice que estar estacionario con respecto a la Tierra es equivalente a estar en una nave espacial acelerando a 1G.

Si las bolas se dispusieran en una red perfecta, no colapsarían, pero en cualquier disposición aleatoria, la presión hacia arriba (fuerza electromagnética) hará que las bolas se deslicen horizontalmente. La presencia de la pared evita este colapso al devolver una fuerza electromagnética igual.

El principio es el mismo para el agua líquida.

Los fluidos ejercen presión por igual en todas las direcciones. Cuanto más profundo vayas, mayor será la presión, ya que hay más peso de agua arriba. Las fuerzas del agua actuarían sobre un muro perpendicular a su superficie.

Por qué toda la larga explicación. Simplemente coloque una balanza dentro de la tina o tanque de agua. Uno al costado y el otro al final del mismo nivel. De lo que puede tener la diferencia de las dos lecturas …

La presión dentro del líquido actúa en todas las direcciones, por lo que actuará horizontalmente en la pared.

La presión sobre la pared se debe a la profundidad del agua en ese punto. Piense que es causado por el peso del agua sobre ese punto, pero luego se transmite horizontalmente a la pared.

Creo que de lo que está hablando aquí es de la presión ejercida horizontalmente sobre uno de los lados de tal pared debido al flujo del agua. Dentro del agua estática, una pared que emerge de la superficie no tendrá presión sobre sus costados o su parte superior.

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