Ley de los vasos comunicantes

Ley de los vasos comunicantes

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Explicación del experimento de los vasos comunicantes

Los vasos comunicantes o jarrones[1] son un conjunto de recipientes que contienen un fluido homogéneo y que están conectados lo suficientemente por debajo de la parte superior del líquido: cuando el líquido se asienta, se equilibra hasta el mismo nivel en todos los recipientes, independientemente de la forma y el volumen de los mismos. Si se añade más líquido a un recipiente, el líquido volverá a encontrar un nuevo nivel igual en todos los recipientes conectados. Esto fue descubierto por Simon Stevin como consecuencia de la Ley de Stevin[2], y ocurre porque la gravedad y la presión son constantes en cada recipiente (presión hidrostática)[3].
Desde la época de la antigua Roma, el concepto de vasos comunicantes se ha utilizado para la fontanería interior, a través de acuíferos y tuberías de plomo. El agua alcanzará el mismo nivel en todas las partes del sistema, que actúan como vasos comunicantes, independientemente de cuál sea el punto más bajo de las tuberías, aunque en la práctica el punto más bajo del sistema depende de la capacidad de las tuberías para soportar la presión del líquido.

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La presión (relativa a la atmosférica) de una columna de agua abierta por arriba a la atmósfera es linealmente proporcional a la profundidad en ese punto desde la superficie del agua. A grandes rasgos, la presión aumenta aproximadamente 1 PSI por cada 2 pies de profundidad desde la superficie. Imagina que un barril tiene 1 pie de agua y el otro 3 pies. La presión en el fondo del segundo barril sería 1 PSI mayor que en el fondo del primero. Esto haría que el agua fluyera a través de la tubería horizontal desde el segundo al primero.
La única manera de que este sistema sea estable (el agua no fluye activamente cambiando los niveles en los barriles), es cuando las presiones en el fondo de los dos barriles son las mismas, lo que significa que las alturas del agua en cada barril son las mismas. Todas las superficies de agua están a la misma altura, por lo que todas las presiones a la misma altura son iguales. Si no es así, el agua fluirá hasta que lo sea.
Si los barriles no están abiertos en la parte superior, el aire del interior creará una barrera, pero el aire que hay allí puede comprimirse, de modo que si el agua baja por la tubería del canalón creará más fuerza sobre el agua, comprimiendo así el aire de los depósitos. En algún momento no habrá suficiente fuerza para superar la presión en el tanque y se igualará o volverá a subir por el canalón.

¿cómo funcionan los vasos comunicantes?

¿Por qué si pongo un poco de agua en uno de los lados, el nivel del agua cambia en el otro lado hasta que se igualan? ¿Por qué esto funciona incluso si pongo agua en el lado más delgado? ¿Y por qué cuando inclino todo el artilugio, el nivel del agua sigue siendo parejo, aunque inclinado?
Pero la presión es $g \rho h$, por lo tanto es independiente de la sección transversal de la tubería. Esta fuerza (gravitatoria) actúa hacia abajo, pero el fluido hace que actúe de forma isotrópica, dirigiéndose así de izquierda a derecha sobre la rodaja de agua (ver arriba).
Aunque el diámetro de la tubería de la izquierda es mayor, la fuerza ejercida sobre la “rebanada” de agua no es mayor, porque la presión sobre un volumen infinitesimal dado sólo depende de la altura de la columna de agua que hay sobre ella. Imaginemos dos simples tubos rectos verticales llenos de agua y con la misma altura, uno con un diámetro grande y el otro con uno más pequeño. Es cierto que la fuerza sobre el fondo del grande es mayor, pero la presión será la misma, porque la fuerza actúa sobre una superficie mayor.

Ley de pascal

El principio del vaso comunicante. (a) Columnas hidrostáticas no comunicantes que presentan diferentes alturas, que conducen a diferentes estados energéticos (la columna d presenta el mayor valor energético). (b) Columnas comunicantes en las que el flujo se desplaza desde los sistemas de mayor a menor estado energético, hasta alcanzar un equilibrio energético común
Si no hay comunicación entre los vasos (Fig. 2.1a), las columnas presentan estados energéticos diferentes, que varían sólo en función de la misma altura de la columna. De hecho, en esta situación estática, el único determinante del nivel de energía es el valor de la energía potencial gravitatoria, que se expresa mediante la siguiente fórmula:
Cuando los diferentes sistemas están en comunicación (Fig. 2.1b), el fluido fluye de la columna superior a la inferior, estableciéndose así un estado energético común equilibrado, en el que todas las alturas de columna son iguales [5].
El sistema venoso funciona tanto en estasis como en dinámica, por lo que es la ley de Bernoulli la que mejor describe los determinantes implicados. En condiciones ideales, establece que los factores energéticos que rigen la hemodinámica venosa son la energía cinética (ρv 2/2; ρ representa la densidad del fluido, v la velocidad del mismo) junto con la energía potencial. La energía potencial está constituida por la presión lateral (p), ligada a las propiedades elásticas de la pared del vaso, y la presión gravitatoria, producida por el peso de la columna sanguínea.