PARTE III · Física: movimiento, energía, campos y materia

Fluidos: presión, flotación y flujo

Cómo líquidos y gases transmiten fuerzas, sostienen cuerpos y se mueven

Capítulo 17 · 81 capítulos publicados

En este capítulo

Un sólido conserva forma propia si no se lo deforma demasiado. Un fluido no. Agua, aire, aceite y vapor adoptan la forma del recipiente o se desplazan cuando una diferencia de presión los impulsa. Esa movilidad no significa ausencia de estructura física: los fluidos transmiten fuerzas, ejercen presión, flotan o hunden cuerpos, forman remolinos, transportan calor y hacen posible la circulación atmosférica y oceánica.

Los capítulos anteriores trataron cuerpos individuales, fuerzas y conservación. Este capítulo introduce sistemas en los que no conviene seguir cada molécula. La descripción útil promedia muchas partículas y usa magnitudes como presión, densidad, velocidad de flujo y viscosidad. El modelo continuo funciona cuando el volumen considerado contiene muchísimas partículas y las variaciones microscópicas no dominan la pregunta.

17.1. Densidad y presión: fuerza distribuida#

La densidad relaciona masa y volumen:

ρ = \frac{m}{V}

donde $ρ$ es densidad, $m$ masa y $V$ volumen. Su unidad SI es $kg / m^{3}$ . Un fluido denso contiene más masa por volumen que uno menos denso, aunque la densidad puede cambiar con temperatura, presión y composición. Los gases suelen ser mucho más compresibles que los líquidos; por eso su densidad varía con mayor facilidad.

La presión es fuerza normal por unidad de área:

p = \frac{F_{⊥}}{A}

donde $F_{⊥}$ es la componente perpendicular de la fuerza sobre el área $A$ . La presión se mide en pascales: $1 Pa = 1 N / m^{2}$ . Una misma fuerza produce más presión si se concentra en menor área. Por eso no basta saber la fuerza total: importa cómo se distribuye.

En un fluido en reposo, la presión en un punto actúa igual en todas las direcciones. Esto no significa que no haya gravedad ni gradientes; significa que, para un pequeño elemento de fluido quieto, una presión direccional desigual produciría deformación y flujo hasta equilibrarse. La presión es una magnitud escalar local, aunque las fuerzas que produce sobre superficies tengan dirección perpendicular a cada superficie.

17.2. Hidrostática: por qué la presión aumenta con la profundidad#

En un líquido en reposo bajo gravedad aproximadamente constante, la presión aumenta con la profundidad porque cada capa debe sostener el peso del fluido que tiene encima. Para un fluido de densidad constante, la relación es:

p = p_{0} + ρ g h

donde $p_{0}$ es la presión en la superficie de referencia, $ρ$ la densidad del fluido, $g$ la aceleración gravitatoria y $h$ la profundidad medida hacia abajo.

La ecuación no dice que la presión dependa del volumen total de agua, sino de la profundidad, la densidad y la gravedad. A igual profundidad, un punto pequeño en un lago y un punto en una piscina pueden tener presión hidrostática similar si la densidad y la presión superficial son similares. La forma del recipiente importa para las fuerzas totales sobre paredes y fondo, pero la presión local ideal depende de la profundidad.

El principio de Pascal afirma que un cambio de presión aplicado a un fluido confinado se transmite por el fluido. Esta idea está detrás de sistemas hidráulicos: una fuerza aplicada sobre un área pequeña puede producir una fuerza mayor sobre un área grande si la presión se transmite. No se crea energía gratis; el desplazamiento del pistón grande es menor. La ventaja mecánica intercambia fuerza por distancia, respetando el trabajo ideal.

17.3. Empuje y flotación#

Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba porque la presión en su parte inferior es mayor que en su parte superior. El principio de Arquímedes resume el resultado: el empuje sobre un cuerpo sumergido equivale al peso del fluido desplazado.

F_{B} = ρ_{fluido} g V_{desplazado}

donde $F_{B}$ es el empuje, $ρ_{fluido}$ la densidad del fluido y $V_{desplazado}$ el volumen de fluido desplazado. Un objeto flota si puede desplazar suficiente fluido para que el empuje iguale su peso antes de hundirse por completo.

La flotación depende de densidad media, no sólo del material local. Un barco de acero flota porque su forma encierra aire y aumenta el volumen de agua desplazada con una masa total distribuida. Un bloque macizo del mismo acero se hunde porque su densidad media supera la del agua y no desplaza suficiente volumen antes de quedar sumergido.

La flotación tampoco exige que el objeto sea más liviano que el agua en masa total. Un buque puede tener miles de toneladas; lo que importa es que desplaza un volumen de agua cuyo peso iguala el suyo. La estabilidad de flotación añade otra pregunta: si el objeto se inclina, la línea de acción del empuje y el peso pueden producir un momento que lo enderece o lo vuelque. Esa geometría no se decide sólo con la densidad media.

Tres paneles muestran presión que crece con profundidad, empuje hacia arriba por diferencia de presión y flujo que aumenta su velocidad al atravesar una sección más estrecha. — Figura 17.1 — En un fluido, las fuerzas se distribuyen y se traducen en presión, empuje o flujo

17.4. Flujo y continuidad#

Cuando un fluido se mueve, interesa cuánto volumen atraviesa una sección por unidad de tiempo. Para un fluido incompresible en flujo estacionario, el caudal volumétrico se conserva:

Q = A v

donde $Q$ es caudal, $A$ el área de la sección y $v$ la rapidez media del fluido en esa sección. Si el tubo se estrecha y el fluido no se acumula, la velocidad aumenta. Esta relación es una forma de conservación de masa.

La ecuación de continuidad no dice que todas las partículas se muevan con la misma velocidad. En un tubo real, la velocidad puede ser menor cerca de las paredes por viscosidad. La expresión $A v$ usa una velocidad media o se aplica a modelos donde el perfil se simplifica. En gases compresibles, la densidad puede cambiar y la forma más general conserva masa como $ρ A v$ .

Las líneas de flujo son una herramienta visual. En flujo estacionario, indican la dirección instantánea de la velocidad del fluido. Donde las líneas se juntan, suele haber mayor velocidad en el modelo. No son hilos materiales dibujados dentro del fluido; son una representación del campo de velocidades.

17.5. Bernoulli: energía en un fluido ideal#

La ecuación de Bernoulli relaciona presión, velocidad y altura a lo largo de una línea de corriente en un fluido ideal, incompresible, sin viscosidad y en flujo estacionario:

p + \frac{1}{2} ρ v^{2} + ρ g y = constante

Aquí $p$ representa presión, $ρ$ densidad, $v$ rapidez y $y$ altura. La ecuación expresa conservación de energía mecánica por unidad de volumen dentro de supuestos definidos. Si la velocidad aumenta en una zona horizontal, el término cinético aumenta y la presión estática puede disminuir.

Bernoulli se usa a menudo de forma excesiva. No todo flujo rápido implica automáticamente baja presión de manera aislada; hay que conocer geometría, viscosidad, separación de flujo, compresibilidad y condiciones de contorno. En alas, tuberías, atomizadores o chimeneas, Bernoulli puede formar parte de la explicación, pero rara vez agota el fenómeno real.

La utilidad de Bernoulli es mostrar una contabilidad: presión, movimiento y altura pueden intercambiarse en un fluido ideal. Su límite principal es que los fluidos reales disipan energía mecánica por viscosidad, generan turbulencia y pueden separarse de superficies. Cuando esos efectos importan, la ecuación ideal deja de bastar o se corrige con pérdidas.

17.6. Viscosidad y turbulencia#

La viscosidad mide la resistencia interna de un fluido a deformarse por cizalla. La miel fluye más lentamente que el agua en condiciones ordinarias porque su viscosidad es mayor. El aire también tiene viscosidad, aunque sea menos evidente. Sin viscosidad no habría capas límite, arrastre viscoso ni disipación mecánica en muchos flujos.

En un flujo laminar, el movimiento es ordenado en capas relativamente suaves. En un flujo turbulento, aparecen remolinos, fluctuaciones y mezcla intensa en muchas escalas. La transición depende de velocidad, tamaño característico, densidad y viscosidad. El número de Reynolds resume esa competencia:

R e = \frac{ρ v L}{μ}

donde $ρ$ es densidad, $v$ velocidad característica, $L$ longitud característica y $μ$ viscosidad dinámica. Valores bajos favorecen flujo laminar; valores altos favorecen turbulencia, aunque los umbrales dependen de geometría y perturbaciones.

La turbulencia no es simplemente «desorden». Tiene estructuras coherentes, cascadas de energía y patrones estadísticos. Es difícil porque conecta muchas escalas y porque pequeñas perturbaciones pueden amplificarse. En ingeniería y ciencias ambientales se modela con aproximaciones, mediciones y simulaciones; no se resuelve con una fórmula elemental universal.

17.7. Circulación y transporte#

Los fluidos transportan masa, cantidad de movimiento, energía y sustancias disueltas o suspendidas. La circulación atmosférica redistribuye calor y humedad; las corrientes oceánicas transportan energía térmica y salinidad; la sangre transporta oxígeno, nutrientes y señales químicas; una tubería transporta fluido por diferencias de presión.

En todos esos casos, el flujo no se entiende sólo mirando una partícula. Hay campos de presión, velocidad, densidad y temperatura. Las fuerzas de volumen como la gravedad, las fuerzas de superficie como presión y viscosidad, y las condiciones de contorno determinan patrones globales. La física de fluidos conecta escalas: desde el movimiento microscópico que produce viscosidad hasta remolinos atmosféricos de cientos de kilómetros.

El próximo capítulo volverá a una magnitud más general: la energía. En fluidos ya apareció como presión, movimiento, altura y disipación. Ahora se estudiará de forma más amplia: trabajo, energía cinética, energía potencial, potencia y eficiencia.

Preguntas de transferencia#

Profundidad frente a volumen total#

Ejemplo construido. Dos recipientes tienen agua con la misma profundidad, pero uno es muy ancho y otro estrecho. ¿La presión hidrostática en el fondo debe ser mayor en el recipiente ancho?

Mostrar respuesta razonada

No por el ancho en sí. En el modelo hidrostático con la misma densidad, gravedad y presión superficial, la presión a una profundidad dada es $p_{0} + ρ g h$ . El recipiente ancho puede ejercer mayor fuerza total sobre el fondo porque tiene mayor área, pero la presión local no aumenta por el volumen total.

Barco de acero#

Ejemplo construido. Un estudiante afirma que el acero siempre se hunde, por lo que un barco de acero contradice el principio de Arquímedes. ¿Qué falta considerar?

Mostrar respuesta razonada

Falta considerar la densidad media del barco completo y el volumen de agua desplazado. Un casco hueco desplaza mucho volumen con una masa total distribuida. Flota si el peso del agua desplazada puede igualar su peso antes de quedar sumergido.

Bernoulli fuera de dominio#

Ejemplo construido. En una tubería muy larga y rugosa se observa pérdida de presión. Alguien aplica Bernoulli ideal sin pérdidas y concluye que la presión debería recuperarse por completo. ¿Qué supuesto falló?

Mostrar respuesta razonada

Falló la ausencia de viscosidad y disipación. En una tubería real, la fricción interna y con paredes transforma energía mecánica en energía interna. Bernoulli ideal debe corregirse con pérdidas o reemplazarse por un modelo viscoso.

Número de Reynolds#

Ejemplo construido. Un mismo fluido circula por dos tubos geométricamente similares. En uno la velocidad media es mucho mayor. ¿Qué sugiere el número de Reynolds sobre la posibilidad de turbulencia?

Mostrar respuesta razonada

Si densidad, viscosidad y escala son comparables, aumentar la velocidad aumenta $R e$ . Un valor mayor favorece la transición a turbulencia, aunque el resultado depende también de geometría, rugosidad y perturbaciones iniciales.

Fuentes y lecturas del capítulo#

OpenStax. University Physics Volume 1. Desarrolla presión, hidrostática, principio de Arquímedes, continuidad y ecuación de Bernoulli con ejemplos introductorios. (OpenStax University Physics 1)

Richard P. Feynman, Robert B. Leighton y Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics, Volume II. Incluye discusiones conceptuales sobre campos, flujo y modelos continuos útiles para física de fluidos. (Feynman Lectures, Volume II)

NASA Glenn Research Center. Beginner's Guide to Aeronautics. Recurso institucional para conceptos de flujo, presión, Bernoulli y aerodinámica básica. (NASA Glenn, aeronautics education)

BIPM. The International System of Units. Referencia para unidades de presión, fuerza, energía y viscosidad. (SI Brochure)

Última revisión editorial: 28 de septiembre de 2026
Cierre de contenidos: 28 de septiembre de 2026