Fluidos y Ondas

La presión mide cuánta fuerza se reparte sobre cada unidad de área. La misma fuerza concentrada en poca área genera mucha presión (por eso un cuchillo afilado corta y un clavo de punta fina penetra); repartida en mucha área genera poca presión (por eso unas raquetas de nieve te impiden hundirte).

Su unidad en el SI es el pascal: 1 Pa = 1 N/m².

Dentro de un líquido la presión no es la misma en todas partes: aumenta a medida que bajas, porque tienes más columna de líquido encima empujándote. Por eso a un buzo le duelen los oídos al descender y las represas se construyen más gruesas en la base que en la parte alta.

La presión que aporta esa columna depende de tres cosas: la densidad del fluido (ρ), la gravedad (g) y la profundidad (h). No depende de la forma ni del ancho del recipiente: a igual profundidad, igual presión.

El principio de Pascal dice que, cuando aplicas presión a un fluido encerrado, esa presión se transmite por igual a todos los puntos del fluido y en todas las direcciones, sin debilitarse. Es la base de las máquinas hidráulicas: el gato del taller, los frenos del auto, las excavadoras y la prensa hidráulica.

El truco es genial: si aplico la misma presión en dos pistones de áreas distintas, el pistón grande recibe una fuerza mayor, porque la fuerza es presión por área. Una persona empuja suave un pistón chico y el sistema levanta un auto en el pistón grande.

Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje hacia arriba (por eso te sientes "más liviano" en el agua). El principio de Arquímedes dice exactamente cuánto vale ese empuje:

El empuje es igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo. Si el cuerpo desplaza 3 litros de agua, recibe hacia arriba el peso de esos 3 litros de agua.

De ahí sale la regla de la flotación, que se decide comparando densidades:

• Si la densidad media del cuerpo es menor que la del fluido → flota (el empuje gana al peso).
• Si es igual → queda en equilibrio, suspendido a cualquier altura.
• Si es mayor → se hunde (el peso gana al empuje).

Tres casos clásicos, los tres con la misma idea de densidad media:

• Barco de acero: el acero es más denso que el agua, pero el casco es hueco y encierra aire. La densidad media del conjunto (acero + aire + carga) es menor que la del agua, así que flota. Si entra agua y desplaza al aire, su densidad media sube y se hunde.
• Submarino: controla su flotación llenando o vaciando de agua sus tanques de lastre, lo que sube o baja su densidad media a voluntad para hundirse, subir o quedar suspendido.
• Globo aerostático: el mismo principio en el aire. Se llena con aire caliente (menos denso que el aire frío de alrededor), así que el conjunto sube; al enfriarse, baja.

Si metes un tubo muy fino (un capilar) en agua, el agua sube sola por dentro, por encima del nivel exterior, sin que nadie la empuje. Esto es la capilaridad, y resulta de dos fuerzas que actúan entre moléculas:

• Cohesión: las moléculas de agua se atraen entre sí (lo que produce la tensión superficial, esa "piel" elástica de la superficie del agua).
• Adhesión: las moléculas de agua se pegan a las paredes del tubo (al vidrio, al papel).

Cuando la adhesión al material gana a la cohesión, el agua "trepa" por las paredes y arrastra consigo la columna. Cuanto más delgado es el tubo, más alto sube el líquido.

Calor y temperatura no son lo mismo, aunque en el lenguaje cotidiano se confundan. Esta distinción es de las más preguntadas:

• Temperatura: mide qué tan agitadas están las partículas de un cuerpo (su energía cinética promedio). Es una propiedad intensiva: no depende de cuánta materia hay. Una chispa y una tina de agua tibia pueden estar a la misma temperatura. Se mide en °C o en kelvin (K).
• Calor: es energía en tránsito que pasa de un cuerpo más caliente a uno más frío por la diferencia de temperatura. No es algo que un cuerpo «tiene»: es energía que fluye. Se mide en joule (J).
• Energía interna: la energía total de todas las partículas de un cuerpo. Sí depende de la cantidad de materia (es extensiva).

Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, el calor fluye del caliente al frío hasta que ambos quedan a la misma temperatura: alcanzan el equilibrio térmico.

Un sistema oscila cuando se mueve de ida y vuelta repitiendo el mismo recorrido: un columpio, una masa colgando de un resorte, la cuerda de una guitarra. El caso más limpio es el movimiento armónico simple (MAS): la fuerza que devuelve al cuerpo a su posición de equilibrio es proporcional a cuánto se alejó (una fuerza "recuperadora").

Dos palabras clave:

• Periodo (T): el tiempo que tarda una oscilación completa (ir y volver). Se mide en segundos.
• Frecuencia (f): cuántas oscilaciones ocurren por segundo. Se mide en hertz (Hz). Son recíprocos: f = 1/T.

Un péndulo simple es una masa colgada de un hilo que oscila a un lado y a otro. Lo sorprendente es de qué depende su periodo (para ángulos pequeños): solo del largo del hilo (L) y de la gravedad (g). No depende ni de la masa colgada ni de la amplitud de la oscilación.

Cada sistema que oscila tiene una frecuencia natural propia (la del columpio, la de una copa de cristal, la de un puente). Una oscilación forzada ocurre cuando alguien empuja el sistema de manera periódica desde afuera.

La resonancia sucede cuando la frecuencia con que empujas coincide con la frecuencia natural del sistema: entonces, con empujones pequeños bien sincronizados, la amplitud crece muchísimo. Es como empujar un columpio justo en el momento exacto de cada vuelta: con poco esfuerzo, sube cada vez más alto.

Una onda es una perturbación que viaja por un medio (agua, cuerda, aire) transportando energía, pero no materia. La idea clave: cuando pasa una ola por el mar, un corcho que flota sube y baja en el mismo lugar, no viaja con la ola. Lo que avanza es la energía y la forma de la onda, no el agua.

Las ondas mecánicas necesitan un medio material para propagarse (el sonido no viaja en el vacío). Se clasifican según cómo vibra el medio respecto del avance:

• Transversales: el medio vibra perpendicular a la dirección en que avanza la onda. Ejemplo: la onda en una cuerda que sacudes de arriba abajo, o las olas en el agua.
• Longitudinales: el medio vibra en la misma dirección en que avanza la onda, formando zonas de compresión y de rarefacción. Ejemplo: el sonido en el aire, o un resorte que comprimes y sueltas a lo largo.

La ecuación más importante de las ondas conecta su velocidad (v), su longitud de onda (λ) y su frecuencia (f). Tiene sentido intuitivo: la velocidad es "cuánta distancia recorre cada onda" (λ) multiplicada por "cuántas ondas pasan por segundo" (f).

Todas las ondas (del agua, del sonido, de la luz) comparten cuatro fenómenos característicos. Que algo los presente es la prueba de que es una onda:

• Reflexión: la onda rebota al chocar con un obstáculo y vuelve. El eco es el sonido reflejado; tu imagen en un espejo es luz reflejada.
• Refracción: la onda cambia de dirección y de velocidad al pasar de un medio a otro (el sonido o la luz al cambiar de aire a agua).
• Interferencia: cuando dos ondas se superponen, se suman. Si coinciden cresta con cresta, se refuerzan (interferencia constructiva); si coincide cresta con valle, se cancelan (destructiva). Es la base de los audífonos con cancelación de ruido.
• Difracción: la onda bordea obstáculos y se «cuela» por aberturas, abriéndose al otro lado. Por eso oyes a alguien que habla a la vuelta de una esquina aunque no lo veas: el sonido difracta.

El efecto Doppler es el cambio en la frecuencia que percibe un observador cuando la fuente de la onda y él se acercan o se alejan. El ejemplo clásico: la sirena de una ambulancia. Cuando se acerca, la oyes más aguda; cuando pasa y se aleja, de golpe la oyes más grave.

La idea intuitiva: si la fuente se acerca, «persigue» a sus propias ondas y las comprime (llegan más juntas → mayor frecuencia → más agudo). Si se aleja, las ondas se estiran (llegan más separadas → menor frecuencia → más grave). Importante: la fuente emite siempre el mismo sonido; lo que cambia es la frecuencia que recibe el observador.