Cabezal de presión

En mecánica de fluidos, la altura de una columna de líquido.

En mecánica de fluidos , la carga de presión es la altura de una columna de líquido que corresponde a una presión particular ejercida por la columna de líquido sobre la base de su recipiente. También se puede llamar carga de presión estática o simplemente carga estática (pero no presión de carga estática ).

Matemáticamente esto se expresa como:

${\displaystyle \psi ={\frac {p}{\gamma }}={\frac {p}{\rho \,g}}}$

dónde

${\displaystyle \psi }$es la carga de presión (que en realidad es una longitud , normalmente en unidades de metros o centímetros de agua )

${\displaystyle p}$es la presión del fluido (es decir, la fuerza por unidad de área , generalmente expresada en pascales )

${\displaystyle \gamma }$es el peso específico (es decir, fuerza por unidad de volumen , normalmente expresado en unidades N/ ^{m3 )}

${\displaystyle \rho }$es la densidad del fluido (es decir, masa por unidad de volumen, normalmente expresada en kg/m ³ )

${\displaystyle g}$es la aceleración debida a la gravedad (es decir, la tasa de cambio de velocidad, expresada en m/s ² ).

Téngase en cuenta que en esta ecuación, el término de presión puede ser presión manométrica o presión absoluta , dependiendo del diseño del recipiente y de si está abierto al aire ambiente o sellado sin aire.

Ecuación de la cabeza

La carga de presión es un componente de la carga hidráulica , en la que se combina con la carga de elevación. Al considerar sistemas dinámicos (que fluyen), se necesita un tercer término: la carga de velocidad . Por lo tanto, los tres términos de carga de velocidad , carga de elevación y carga de presión aparecen en la ecuación de carga derivada de la ecuación de Bernoulli para fluidos incompresibles :

${\displaystyle h_{v}+z_{\text{elevation}}+\psi =C\,}$

dónde

${\displaystyle h_{v}}$es la cabeza de velocidad,

${\displaystyle z_{\text{elevation}}}$es la altura de elevación,

${\displaystyle \psi }$es la cabeza de presión, y

${\displaystyle C}$es una constante para el sistema

Usos prácticos del cabezal de presión

Un medidor Venturi con dos instrumentos de presión abiertos al aire ambiente. ( y ) Si el medidor se coloca boca abajo, decimos por convención que y el fluido dentro de las columnas verticales se derramará por los dos orificios. Vea la explicación a continuación. ${\displaystyle p>0}$ ${\displaystyle g>0}$ ${\displaystyle g<0}$

El caudal de un fluido se mide con una amplia variedad de instrumentos. El medidor Venturi del diagrama de la izquierda muestra dos columnas de un fluido de medición a diferentes alturas. La altura de cada columna de fluido es proporcional a la presión del fluido. Para demostrar una medición clásica de la carga de presión, podríamos reemplazar hipotéticamente el fluido de trabajo por otro fluido que tenga propiedades físicas diferentes .

Por ejemplo, si el fluido original era agua y lo reemplazamos con mercurio a la misma presión, esperaríamos ver un valor bastante diferente para la carga de presión. De hecho, el peso específico del agua es 9,8 kN/m ³ y el peso específico del mercurio es 133 kN/m ³ . Por lo tanto, para cualquier medición particular de la carga de presión, la altura de una columna de agua será aproximadamente [133/9,8 = 13,6] 13,6 veces más alta que una columna de mercurio. Por lo tanto, si un medidor de columna de agua indica "13,6 cm H ₂ O ", entonces una medición equivalente es "1,00 cm Hg".

Este ejemplo demuestra por qué existe cierta confusión en torno a la altura de presión y su relación con la presión. Los científicos utilizan con frecuencia columnas de agua (o mercurio) para medir la presión ( medición de presión manométrica ), ya que para un fluido determinado, la altura de presión es proporcional a la presión. Medir la presión en unidades de " mm de mercurio " o " pulgadas de agua " tiene sentido para la instrumentación , pero estas mediciones brutas de altura deben convertirse con frecuencia a unidades de presión más convenientes utilizando las ecuaciones anteriores para calcular la presión.

En resumen, la carga de presión es una medida de longitud, que se puede convertir a unidades de presión (fuerza por unidad de área), siempre que se preste estricta atención a la densidad del fluido de medición y al valor local de g.

Implicaciones para las anomalías gravitacionales enψ

Normalmente utilizaríamos cálculos de carga de presión en áreas en las que es constante. Sin embargo, si el campo gravitacional fluctúa, podemos demostrar que la carga de presión fluctúa con él. ${\displaystyle g}$

• Si consideramos lo que sucedería si la gravedad disminuye , esperaríamos que el fluido en el medidor Venturi que se muestra arriba se retire de la tubería hacia las columnas verticales. La carga de presión aumenta .
• En caso de ingravidez , la carga de presión se acerca al infinito . El fluido en la tubería puede "fugarse" por la parte superior de las columnas verticales (suponiendo que ). ${\displaystyle p>0}$
• Para simular la gravedad negativa, podríamos poner boca abajo el medidor Venturi que se muestra arriba. En este caso, la gravedad es negativa y esperaríamos que el fluido en la tubería "se derrame" por las columnas verticales. La carga de presión es negativa (suponiendo ). ${\displaystyle p>0}$
• Si y , observamos que la carga de presión también es negativa y el aire ambiente es succionado hacia las columnas que se muestran en el medidor Venturi anterior. Esto se llama sifón y se produce por un vacío parcial dentro de las columnas verticales. En muchos Venturis, la columna de la izquierda tiene líquido en su interior ( ), mientras que solo la columna de la derecha es un sifón ( ). ${\displaystyle p<0}$ ${\displaystyle g>0}$ ${\displaystyle \psi >0}$ ${\displaystyle \psi <0}$
• Si y , observamos que la carga de presión es nuevamente positiva, lo que predice que el medidor Venturi que se muestra arriba se vería igual, solo que al revés. En esta situación, la gravedad hace que el fluido de trabajo tape los orificios del sifón, pero el fluido no se escapa porque la presión ambiental es mayor que la presión en la tubería. ${\displaystyle p<0}$ ${\displaystyle g<0}$
• Las situaciones anteriores implican que la ecuación de Bernoulli , de la que obtenemos la carga de presión estática, es extremadamente versátil.

Aplicaciones

Estático

Un barómetro de mercurio es uno de los usos clásicos de la presión estática . Estos barómetros son una columna cerrada de mercurio colocada verticalmente con gradaciones en el tubo. El extremo inferior del tubo está bañado en un charco de mercurio abierto al ambiente para medir la presión atmosférica local . La lectura de un barómetro de mercurio (en mm de Hg , por ejemplo) se puede convertir en una presión absoluta utilizando las ecuaciones anteriores.

Si tuviéramos una columna de mercurio de 767 mm de altura, podríamos calcular la presión atmosférica como (767 mm)•(133 kN/m ³ ) = 102 kPa. Consulta los artículos sobre torr , milímetro de mercurio y pascal (unidad) para obtener información sobre las mediciones de presión barométrica en condiciones estándar.

Diferencial

Un flujo de aire a través de un medidor Venturi , que muestra las columnas conectadas en forma de U (un manómetro ) y parcialmente llenas de agua. El medidor se "lee" como una presión diferencial en centímetros o pulgadas de agua.

El medidor Venturi y el manómetro son un tipo común de medidor de caudal que se puede utilizar en muchas aplicaciones de fluidos para convertir las cargas de presión diferencial en caudal volumétrico , velocidad lineal del fluido o caudal másico utilizando el principio de Bernoulli . La lectura de estos medidores (en pulgadas de agua, por ejemplo) se puede convertir en una presión diferencial o manométrica utilizando las ecuaciones anteriores.

Cabeza de velocidad

La presión de un fluido es diferente cuando fluye que cuando no fluye. Por eso, la presión estática y la presión dinámica nunca son iguales en un sistema en el que el fluido está en movimiento. Esta diferencia de presión surge de un cambio en la velocidad del fluido que produce la carga de velocidad , que es un término de la ecuación de Bernoulli que es cero cuando no hay movimiento en masa del fluido. En la imagen de la derecha, la diferencia de presión se debe completamente al cambio en la carga de velocidad del fluido, pero se puede medir como una carga de presión debido al principio de Bernoulli. Si, por otro lado, pudiéramos medir la velocidad del fluido, la carga de presión se podría calcular a partir de la carga de velocidad. Vea las Derivaciones de la ecuación de Bernoulli .

Véase también

• Centímetro de agua
• Medición de presión
• Altura hidráulica o altura de velocidad , que incluye un componente de altura de presión
• Efecto Venturi

Enlaces externos

• Artículo de Engineering Toolbox sobre el peso específico
• Artículo de Engineering Toolbox sobre la presión estática