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¿Te imaginas levantar un automóvil solo con la fuerza de tus brazos o de tener un autobús con un pequeño movimiento de tu pie? Pues esto es perfectamente posible y sucede todos los días.
Pero espérate, no vayas corriendo a la calle a querer parar un coche a patadas. Estos portentos son posibles gracias a la tecnología hidráulica, desarrollada a partir del genio científico de Blaise Pascal, y han permitido incluso mover edificios. Hoy te vamos a explicar cómo multiplicar tu fuerza: el principio de Pascal.
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Cuentan que allá por el siglo XVII, el físico, matemático y teólogo francés Blaise Pascal apostó a que podía hacer reventar un barril con un litro de agua. A un fuerte tonel lleno de agua se le conectó, perfectamente sellado, un tubo de metal de 10 metros de largo. Luego, alguien, usando una escalera, subió y vertió un litro de agua dentro, poco a poco, hasta que... ¿qué crees que pasó? ¡Catapún! El barril estalló.
Para ser sinceros, no hay seguridad de que Pascal realmente haya hecho este experimento, pero se han hecho variantes muchas veces después y funciona. ¿Pero por qué? El principio de Pascal es una ley física que pertenece a la hidrostática, la rama de la hidráulica que estudia a los fluidos en estado de reposo. Y para entenderla, necesitamos tener claras dos nociones.
La primera es el concepto de presión. En física, presión se refiere a la fuerza que se ejerce por unidad de área, es decir, es la cantidad de fuerza que se aplica sobre una superficie determinada. Aunque la fuerza sea la misma, la presión aumenta si se disminuye el área. Si mantienes una fuerza constante, pero disminuye el área sobre la cual se aplica esa fuerza, la presión aumentará. Esto se debe a que, al disminuir el área, la misma cantidad de fuerza se está distribuyendo sobre una superficie menor. Es por eso que es posible acostarse en una cama de clavos sin lastimarse, pero no en un clavo solo.
La segunda noción importante es que los fluidos en estado líquido se consideran incompresibles. No se comprimen, es decir, que no cambian su volumen al aplicarles presión. Si tomas una pelota de esponja y la aprietas, puedes hacerla más pequeña, disminuye su tamaño y aumenta su densidad. Lo mismo pasa con el aire y otros gases. Si tomas una jeringa llena de aire, tapas la salida sin aguja y presionas el émbolo, puedes ver cómo el aire se comprime y al soltar el émbolo vuelve a su volumen original. El aire es elástico. Lo que sucede es que cuando aprietas la jeringa, las moléculas de los gases que forman el aire se juntan más entre ellas. Al disminuir el volumen, aumenta la densidad.
Pero el agua no se comporta así. No se puede comprimir. Bueno, sí se comprime un poquito, pero tan poquito que para efectos prácticos se considera incompresible. Pruébalo con la jeringa ahora llena de agua. Ya no se siente elástica, no se deja comprimir. La forma de sus moléculas hace que se acomoden de una manera que no deja mucho espacio entre ellas. Eso significa que si tuvieras un tubo lleno de agua con dos émbolos iguales, toda la presión que se aplica en uno de los extremos llega completita a toda la superficie interior, incluido el émbolo del otro extremo.
Y ese es el principio de Pascal: un cambio de presión en un fluido incompresible confinado se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. O sea, la presión se propagará de manera uniforme. La presión en este punto es igual a la presión en este punto, y en este, y en este. O sea, que si hubiera una esfera con agujeritos, del otro lado de la jeringa, todos los chorritos saldrían con la misma fuerza.
Parece de sentido común, pero tiene implicaciones asombrosas. Imagina que tienes un fluido confinado con dos pistones o émbolos en cada extremo. A este pequeño le vamos a llamar pistón de entrada y a este grande, pistón de salida. Si presionamos el de entrada, sabemos que se moverá el de salida. Pero un momento, como la presión es igual en todos los puntos y el pistón de salida tiene más área, significa que el pistón de salida ejercerá más fuerza que la que se aplicó en el de entrada.
Digamos que pones en el pistón de entrada un peso de 3 kilos y que el área del émbolo en contacto con el líquido es de un centímetro cuadrado. La presión, entonces, es de 3 kilos por centímetro cuadrado. Esta presión se transmite por todo el líquido, a las paredes del contenedor y al pistón de salida, cuya superficie inferior tiene 5 centímetros cuadrados. Cada centímetro cuadrado recibe la presión de 3 kilos, lo que significa que el émbolo ejerce una fuerza de... ¡una vez 5 por 3 es igual a 15! ¡15 kilogramos! ¿Qué brujería es esta?
En esta operación se puede expresar matemáticamente con esta ecuación: la fuerza 2 equivale a la fuerza 1 multiplicada por el resultado de dividir el área 2 entre el área 1. En nuestro ejemplo, dividimos 5 centímetros cuadrados entre un centímetro cuadrado, nos da 5. Lo multiplicamos por 3 kilos por centímetro cuadrado y el resultado es 15. Con solo 3 kilos de fuerza de entrada, podríamos empujar un peso de hasta 15 kilos.
Pero, ¿cómo explicar que aparezca fuerza de la nada? Bueno, seguro habrás notado que aunque el peso que movimos acá es cinco veces más grande que el de aquí, la distancia de aquí es mucho mayor que la de acá. Esto es porque el volumen de líquido que desplazamos en el lado del pistón de salida es igual al volumen de líquido en el lado del pistón de entrada. Si el de entrada se movió 10 centímetros y su cara inferior tiene un área de un centímetro cuadrado, es fácil calcular que desplazó 10 centímetros cúbicos de líquido. Si pones estos 10 centímetros cúbicos en el otro lado, forman un cilindro cuya cara superior sabemos que tiene 5 centímetros cuadrados, lo que significa que su altura es de 10 entre 5, ¡es de 2 centímetros! Mover el émbolo de entrada 10 centímetros hacia abajo solo movió el de salida 2 centímetros hacia arriba.
Si quieres experimentar el principio de Pascal de manera tangible, puedes usar dos jeringas, una delgada y una gruesa, sin agujas, llenarlas de agua y unirlas con una de esas mangueras que se usan en los acuarios, también llenas de agua. Notarás que si empujas el émbolo de la estrecha, se mueve el de la ancha y requiere un esfuerzo mucho menor que usar la jeringa gruesa para mover la delgada. Además de que la jeringa delgada recorre una distancia mayor que la jeringa ancha.
¿Se te ocurren inventos que podrían hacer uso de esto? Y es que este intercambio de distancia por fuerza puede ser muy bien aprovechado. Cuando el conductor de un autobús pisa el pedal del freno, está utilizando un mecanismo hidráulico que amplifica una pequeña fuerza hasta ser capaz de detener el movimiento de un vehículo de varias toneladas. Si usas un gato hidráulico para levantar tu auto cuando se te revienta una llanta, también estás aprovechando el principio de Pascal, multiplicando la fuerza de tus brazos.
Además de usarse en los elevadores de los edificios, grúas que levantan cargas pesadas, esas prensas hidráulicas que aplastan cualquier cosa y los sistemas de dirección de los vehículos, el principio de Pascal se ha usado para mover edificios enteros. Jorge Matute Remus fue un ingeniero mexicano que realizó una hazaña impresionante en la década de 1950: movió el edificio de la telefónica de Guadalajara, México, para evitar su demolición. Para lograrlo, Matute Remus diseñó y construyó un sistema de rieles y rodillos que se colocaron debajo del edificio, junto con 12 gatos hidráulicos para desplazarlo centímetro a centímetro sin ayuda de motores y mientras las personas seguían trabajando en su interior.
Bueno, ¿y por qué reventó el barril aquel? A esto se le llama la paradoja hidrostática. La presión en este caso depende solo de la altura y anchura del tubo, no de la cantidad de agua. Aunque el líquido sea poco, la columna se concentra en un área muy pequeña, lo que aumenta la presión que, como ya vimos, ejerce una fuerza igual en todas las direcciones del barril. Si el tubo es lo suficientemente alto, el barril se hace pedazos.
Por cierto, en este video estuvimos usando kilo por centímetro cuadrado como para medir la presión, pero una unidad muy utilizada y más apropiada es el Newton por metro cuadrado o Pascal, llamado así en honor a su descubridor, Blaise Pascal. Curiosamente, para triunfar en lo profesional, no solo son importantes los conocimientos técnicos. Con Platzi, identifica qué actitudes, hábitos y formas de pensar te están ayudando a crecer y cuáles te están deteniendo. Elabora un plan para desarrollar las habilidades como trabajo en equipo, liderazgo y gestión del tiempo, fundamentales para triunfar en el mundo profesional. Ve a platzi.com/habilidades-blandas o haz clic en el link de la descripción para obtener tu suscripción a Platzi y nunca pares de aprender.
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