(Página creada con «==Enunciado== El poise (P), que es la unidad de viscosidad dinámica en el sistema CGS, se define como 1 P = 1 g<math>\cdot</math>(s<math>\cdot</math>cm)<math>^{-1}</math>. ¿Cuál es la unidad de viscosidad dinámica en el SI? Según la denominada ley de Stokes, el módulo de la fuerza viscosa <math>F\,</math> ejercida sobre una esfera que se mueve en un fluido depende exclusivamente de tres magnitudes: el radio <math>r\,</math> de la esfera, la celeridad <math>v\,<…»)
 
(Página creada con «==Enunciado== Exprese estas cantidades en términos de las unidades fundamentales del SI: # Nudo (milla náutica/hora) # Año luz # Acre (rectángulo de 66 pies por 220 yardas) # Siglo # Unidad de Masa Atómica # R = 0.082 atm·L/K·mol # Libra-fuerza por pulgada cuadrada (Ex.Ene/11) ==Nudo== Un nudo, unidad de velocidad para naves (barcos o aviones) se define como una milla náutica (M) por hora. A su vez, una milla náutica se define como el arco corre…»)
 
Línea 1: Línea 1:
==Enunciado==
==Enunciado==
El poise (P), que es la unidad de viscosidad dinámica en el sistema CGS, se define como 1 P = 1 g<math>\cdot</math>(s<math>\cdot</math>cm)<math>^{-1}</math>. ¿Cuál es la unidad de viscosidad dinámica en el SI?
Exprese estas cantidades en términos de las unidades fundamentales del SI:


Según la denominada ley de Stokes, el módulo de la fuerza viscosa <math>F\,</math> ejercida sobre una esfera que se mueve en un fluido depende exclusivamente de tres magnitudes: el radio <math>r\,</math> de la esfera, la celeridad <math>v\,</math> con que ésta se mueve y la viscosidad dinámica <math>\eta\,</math> del fluido. Deduzca, mediante análisis dimensional, los exponentes <math>n\,</math>, <math>p\,</math> y <math>q\,</math> con los que aparecen <math>r\,</math>, <math>v\,</math> y <math>\eta\,</math>, respectivamente, en la fórmula del módulo de la fuerza viscosa según Stokes, y así podrá responder a las dos siguientes preguntas.
# Nudo (milla náutica/hora)
# Año luz
# Acre (rectángulo de 66 pies por 220 yardas)
# Siglo
# Unidad de Masa Atómica
# R = 0.082 atm&middot;L/K&middot;mol
# Libra-fuerza por pulgada cuadrada (Ex.Ene/11)


:a) Si en un mismo fluido se mueven dos esferas, ambas con igual celeridad, pero el radio de la segunda es el doble que el radio de la primera (<math>r_2=2\,r_1\,</math>), ¿qué relación existe entre los módulos de las fuerzas viscosas soportadas por la primera y la segunda esfera?
==Nudo==
Un nudo, unidad de velocidad para naves (barcos o aviones) se define como una milla náutica (M) por hora. A su vez, una milla náutica se define como el arco correspondiente a un minuto de grado sobre la superficie terrestre.


:b) Si, al pasar de un instante <math>t_1\,</math> a otro posterior <math>t_2\,</math>, la celeridad de una esfera en el seno de un fluido se ha reducido conforme a la relación <math>v_2=0.80\,v_1\,</math>, ¿cómo habrá cambiado el módulo de la fuerza viscosa sobre ella ejercida?
Si en una circunferencia hay 360&deg; y cada uno contiene 60 minutos de arco ('), se deduce que hay


==Dimensiones y unidad SI de la viscosidad dinámica==
<center><math>360^\circ\times \frac{60'}{1^\circ} = 21600'</math></center>
Se nos presenta el poise (P) como la unidad de viscosidad dinámica (<math>\eta\,</math>) en cierto sistema de unidades (CGS, cegesimal). Obsérvese que, aunque no hayamos oído nunca hablar de la viscosidad dinámica, la definición de 1 poise que se nos da en el enunciado permite de inmediato deducir la ecuación dimensional de dicha magnitud física, así como su unidad en el SI. En efecto:


<center><math>1\,\mathrm{P} = 1\,\mathrm{g}\cdot(\mathrm{s}\cdot\mathrm{cm})^{-1} \,\,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\,\, [\eta]=MT^{-1}L^{-1}\,\,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\,\, \mathrm{unidad}\,\, \mathrm{SI}\,\, \mathrm{de}\,\, \eta = 1\,\mathrm{kg}\cdot(\mathrm{s}\cdot\mathrm{m})^{-1}</math></center>
Dado que la circunferencia terrestre mide 40000&thinsp;km (por la definición original de metro), tenemos que cada minuto corresponde a un arco


Pero es más frecuente expresar la unidad SI de viscosidad dinámica de este otro modo equivalente:
<center><math>L = \frac{40000\,\mathrm{km}}{21600'}\times\frac{1000\,\mathrm{m}}{1\,\mathrm{km}}\simeq 1852\,\mathrm{m}</math></center>


<center><math>1\,\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{s}\cdot\mathrm{m}} = 1\,\frac{\mathrm{N}\cdot\mathrm{s}^2}{\mathrm{m}\cdot\mathrm{s}\cdot \mathrm{m}} = 1\,\frac{\mathrm{N}\cdot\mathrm{s}}{\mathrm{m}^2} = 1\,\mathrm{Pa}\cdot\mathrm{s}</math></center>
El cociente incluye decimales, pero la Oficina Internacional de Pesas y Medidas [http://www.boe.es/boe/dias/2010/02/18/pdfs/BOE-A-2010-2625.pdf define la milla náutica] como ''exactamente'' 1852 metros.


donde se ha tenido en cuenta que <math>1\, \mathrm{kg}=1\, (\mathrm{N}\cdot\mathrm{s}^2)/\mathrm{m}\,</math>, y también que la unidad de presión en el SI es el pascal (<math>1\,\mathrm{Pa}=1\, \mathrm{N}/\mathrm{m}^2\,</math>).
Un nudo (kn) corresponde por tanto a


==Ley de Stokes==
<center><math>1\,\mathrm{kn} = \frac{1\,\mathrm{M}}{\mathrm{h}}\times\frac{1852\,\mathrm{m}}{1\,\mathrm{M}}\times\frac{1\,\mathrm{h}}{3600\,\mathrm{s}} = \frac{1852}{3600}\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}= 0.51444...\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
Se nos dice que, según la ley de Stokes, el módulo de la fuerza viscosa <math>F\,</math> que sufre una esfera móvil en el seno de un fluido sólo es función de tres magnitudes: el radio <math>r\,</math> de la esfera, la celeridad <math>v\,</math> de la esfera, y la viscosidad dinámica <math>\eta\,</math> del fluido, es decir:


<center><math>F = f(r,v,\eta)\,</math></center>
==Año luz==
El año luz es una unidad de longitud, equivalente a la distancia recorrida por la luz en un año. La velocidad de la luz es ''exactamente''


Pero esta ecuación ha de ser dimensionalmente homogénea. Por tanto, <math>f\,</math> no puede ser una función arbitraria, sino que debe ser un producto de potencias de sus tres variables cuyo resultado tenga dimensiones de fuerza:
<center><math>c = 299\,792\,458\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>


<center><math>F=K\,r^nv^p\eta^q\,</math></center>
La duración del año es un poco más incierta, ya que no es un múltiplo exacto de un número de días (d). Para definir un año luz se toma un año de 365.25&thinsp;d (que tiene en cuenta los años bisiestos, pero no la corrección de la reforma gregoriana; el año solar real dura un poco menos de 365.25&thinsp;d). Con esta definición de años obtenemos


donde <math>K\,</math> es un factor numérico adimensional que no seremos capaces de determinar mediante análisis dimensional, pero que no nos hace falta para poder responder a las preguntas que se nos plantean.
<center><math>T = 365.25\,\mathrm{d}\times\frac{24\,\mathrm{h}}{1\,\mathrm{d}}\times\frac{60\,\mathrm{min}}{1\,\mathrm{h}}\times\frac{60\,\mathrm{s}}{1\,\mathrm{min}}=31\,557\,600\,\mathrm{s}</math></center>


Será, pues, la exigencia de homogeneidad dimensional sobre la anterior ecuación la que nos permita deducir cuáles son los valores de los exponentes <math>n\,</math>, <math>p\,</math> y <math>q\,</math>. Tomando dimensiones en la anterior ecuación, se obtiene:
por lo que la longitud de un año luz es


<center><math>[F] = [r]^n[v]^p[\eta]^q \,\,\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,\,\,MLT^{-2} = L^n\left(LT^{-1}\right)^p\left(ML^{-1}T^{-1}\right)^q\,\,\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,\,\, MLT^{-2} = M^{q}L^{n+p-q}T^{-p-q}\,</math></center>
<center><math>1\,\mathrm{a}\tilde{\mathrm{n}}\mathrm{o\,luz} = cT = \left(299\,792\,458\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\right)\times\left(31\,557\,600\,\mathrm{s}\right) = 9\,460\,730\,472\,580\,800\,\mathrm{m}</math></center>


Igualando entre sí los exponentes de cada magnitud básica en ambos miembros, obtenemos:
esto es, un año luz es un poco menos de 10 billones de kilómetros. Normalmente, con esta cantidad redondeada es más que suficiente para expresar las distancias estelares, por las incertidumbres inherentes a las medidas astronómicas.


<center><math> 1 = q \,\,;\qquad\qquad 1 = n + p - q \,\,;\qquad\qquad -2 = -p - q </math></center>
==Acre==
Un acre es una medida de superficie, relacionado con una cierta cantidad de superficie arable, de ahí su definición empleando un rectángulo. Los lados de este rectángulo se miden en yardas y pies, que son unidades del sistema imperial de unidades.


de donde:
Una yarda (yd)  se define como


<center><math>n = 1\,\,;\qquad\qquad p = 1\,\,;\qquad\qquad q = 1</math></center>
<center><math>1\,\mathrm{yd} = 0.9144\,\mathrm{m}</math></center>


y por tanto el módulo de la fuerza viscosa responde a la expresión:
y una yarda contiene 3 pies (ft), por lo que


<center><math>F = K\,r\, v\,\eta</math></center>
<center><math>1\,\mathrm{acre} = (66\,\mathrm{ft})\times(220\,\mathrm{yd}) = 4840\,\mathrm{yd}^2 \times \left(\frac{0.9144\,\mathrm{m}}{1\,\mathrm{yd}}\right)^2 = 4046.856422\,\mathrm{m}^2</math></center>


Esta expresión no nos dice cuánto vale el módulo de la fuerza viscosa, ya que desconocemos el valor del factor numérico adimensional <math>K\,</math>. Sin embargo, nos proporciona una información muy interesante: el tipo de dependencia existente entre el módulo de la fuerza viscosa y las variables <math>r\,</math>, <math>v\,</math> y <math>\eta\,</math>. De hecho, observamos que se trata de una relación de proporcionalidad directa, de tal modo que la multiplicación de cualquiera de las tres variables por un cierto factor (manteniéndose las demás constantes) se traduce en la multiplicación de la fuerza viscosa exactamente por el mismo factor. Y esto es justo lo que necesitábamos saber para poder responder a las dos cuestiones finales que se nos plantean.
esto es, un acre equivale aproximadamente a 0.4 hectáreas (1&thinsp;ha = 10000&thinsp;m&sup2;).


No obstante, para no dejar a nadie con la curiosidad, diremos que en la ley de Stokes el factor adimensional <math>K\,</math> vale 6<math>\pi\,</math>.
==Siglo==
Un siglo es una unidad de tiempo equivalente a 100 años. La duración de un año es, aproximadamente 365 días más 1/4 (el ''año Juliano''). Una mejor aproximación la da el ''año Gregoriano'', que elimina tres años bisiestos cada cuatrocientos años, esto es


==Respuesta a las dos cuestiones finales==
<center><math>1\,\mathrm{a}\tilde{\mathrm{n}}\mathrm{o} = \left(365 + \frac{1}{4}-\frac{3}{400}\right)\,\mathrm{d}=365.2425\,\mathrm{d}</math></center>


a) Al tratarse de dos esferas moviéndose con igual celeridad en un mismo fluido, la única variable que cambia de una a otra es el radio, que se nos dice ser el doble en la segunda que en la primera. Por tanto, es inmediato deducir la relación entre los módulos de las fuerzas viscosas soportadas por una y otra esfera:
Por tanto, un siglo equivale a


<center><math>r_2=2\,r_1 \,\,\,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, F_2=K\, r_2\, v\,\eta=2\,K\,r_1\, v\,\eta= 2\,F_1</math></center>
<center><math>1\,\mathrm{siglo} = 100\,\mathrm{a}\tilde{\mathrm{n}}\mathrm{o}\times\frac{365.2425\,\mathrm{d}}{1\,\mathrm{a}\tilde{\mathrm{n}}\mathrm{o}}\times\frac{86400\,\mathrm{s}}{1\,\mathrm{d}} = 3\,155\,695\,200\,\mathrm{s}</math></center>


b) En este caso, se trata de una única esfera móvil en el seno de un fluido, y la variable que se modifica de un instante a otro es simplemente su celeridad. Deduciremos, pues, cuál es la modificación sufrida por el módulo de la fuerza viscosa que soporta la esfera al pasar del primer al segundo instante:
Una buena aproximación sería decir que un siglo son
 
<center><math>1\,\mathrm{siglo} \simeq \pi\,\mathrm{Gs}</math></center>
 
==Unidad de Masa Atómica==
La Unidad de Masa Atómica Unificada (u), también conocida como dalton (Da) se define como 1/12 de la masa de un átomo de <sup>12</sup>C. Puesto que 1 mol de esta misma sustancia pesa 12 gramos y en 1 mol hay el [http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?na Número de Avogadro] de partículas, siendo
 
<center><math>N_A = 6.022\,141\,79(30)\times 10^{23}\,\mathrm{particulas} =  (6.022\,141\,79\pm 0.000\,000\,30)\times 10^{23}\,\mathrm{particulas}</math></center>
 
La unidad de masa atómica unificada equivale entonces a
 
<center><math>1\,\mathrm{u} = \frac{1}{12}\times\frac{12\,\mathrm{g}}{1\,\mathrm{mol}}\times\frac{1\,\mathrm{mol}}{6.022\,141\,79\times 10^{23}\,\mathrm{particulas}}\times\frac{1\,\mathrm{kg}}{1000\,\mathrm{g}} = 1.660\,54\times 10^{-27}\,\mathrm{kg}</math></center>
 
Dado que el número de Avogadro es una cantidad experimental, la Unidad de Masa Atómica, a diferencia de otras unidades, tiene solo un valor aproximado, con una cierta incertidumbre. Su valor actual es
 
<center><math>1\,\mathrm{u} = 1.660\,538\,782(83)\times 10^{-27}\,\mathrm{kg}</math></center>
 
donde el 83 entre paréntesis representa la incertidumbre en las dos últimas cifras.
 
==Constante de los gases ideales==
El valor de la constante de los gases ideales en el SI se obtiene transformando las atmósferas a pascales y los litros a m&sup3;. Tenemos que
 
<center><math>1\,\mathrm{atm} = 101\,325\,\mathrm{Pa}</math>{{qquad}}{{qquad}}<math>1\,\mathrm{L}=10^{-3}\mathrm{m}^3</math></center>
 
por lo que
 
<center><math>R = 0.082\,\frac{\mathrm{atm}\cdot\mathrm{L}}{\mathrm{K}\cdot\mathrm{mol}}\times\frac{101325\,\mathrm{Pa}}{1\,\mathrm{atm}}\times\frac{1\,\mathrm{m}^3}{1000\,\mathrm{L}} = 8.31\,\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{K}\cdot\mathrm{mol}}</math></center>
 
Nótese que en el numerador aparece el julio, ya que
 
<center><math>1\,\mathrm{J}=1\,\mathrm{Pa}\times 1\,\mathrm{m}^3</math></center>
 
El [http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?r valor experimental] más preciso para R en el SI es
 
<center><math>R = 8.314\,472(15)\,\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{K}\cdot\mathrm{mol}}</math></center>
 
donde de nuevo el 15 entre paréntesis indica la incertidumbre en las dos ultimas cifras, esto es,
 
<center><math>R = (8.314\,472\pm 0.000\,015)\,\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{K}\cdot\mathrm{mol}}</math></center>
 
==Libra-fuerza por pulgada cuadrada==
La libra-fuerza por pulgada cuadrada, más conocida como psi (pounds per square inch) es una unidad de presión en el sistema imperial de unidades. Teniendo en cuenta que una libra-fuerza equivale a 4.448 N, que un pie tiene 12 pulgadas, una yarda tiene 3 pies y que una yarda equivale a 0.9144 metros, se obtiene que un psi equivale a
 
<center><math>1 \mathrm{psi} = \frac{1\,\mathrm{lbf}}{1\,\mathrm{in}^2}\,\times\,\frac{4.448\,\mathrm{N}}{1\,\mathrm{lbf}}\times\left(\frac{12\,\mathrm{in}}{1\,\mathrm{ft}}\right)^2\times\left(\frac{3\,\mathrm{ft}}{1\,\mathrm{yd}}\right)^2\times\left(\frac{1\,\mathrm{yd}}{0.9144\,\mathrm{m}}\right)^2 = 6894\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{m}^2} = 6894\,\mathrm{Pa}</math></center>


<center><math>v_2=0.80\,v_1 \,\,\,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, F_2=K\, r\, v_2\,\eta=0.80\,K\,r\, v_1\,\eta= 0.80\,F_1</math></center>


[[Categoría:Problemas de Metrología (GITI)]]
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Revisión actual - 13:47 17 ene 2024

Enunciado

Exprese estas cantidades en términos de las unidades fundamentales del SI:

  1. Nudo (milla náutica/hora)
  2. Año luz
  3. Acre (rectángulo de 66 pies por 220 yardas)
  4. Siglo
  5. Unidad de Masa Atómica
  6. R = 0.082 atm·L/K·mol
  7. Libra-fuerza por pulgada cuadrada (Ex.Ene/11)

Nudo

Un nudo, unidad de velocidad para naves (barcos o aviones) se define como una milla náutica (M) por hora. A su vez, una milla náutica se define como el arco correspondiente a un minuto de grado sobre la superficie terrestre.

Si en una circunferencia hay 360° y cada uno contiene 60 minutos de arco ('), se deduce que hay

Dado que la circunferencia terrestre mide 40000 km (por la definición original de metro), tenemos que cada minuto corresponde a un arco

El cociente incluye decimales, pero la Oficina Internacional de Pesas y Medidas define la milla náutica como exactamente 1852 metros.

Un nudo (kn) corresponde por tanto a

Año luz

El año luz es una unidad de longitud, equivalente a la distancia recorrida por la luz en un año. La velocidad de la luz es exactamente

La duración del año es un poco más incierta, ya que no es un múltiplo exacto de un número de días (d). Para definir un año luz se toma un año de 365.25 d (que tiene en cuenta los años bisiestos, pero no la corrección de la reforma gregoriana; el año solar real dura un poco menos de 365.25 d). Con esta definición de años obtenemos

por lo que la longitud de un año luz es

esto es, un año luz es un poco menos de 10 billones de kilómetros. Normalmente, con esta cantidad redondeada es más que suficiente para expresar las distancias estelares, por las incertidumbres inherentes a las medidas astronómicas.

Acre

Un acre es una medida de superficie, relacionado con una cierta cantidad de superficie arable, de ahí su definición empleando un rectángulo. Los lados de este rectángulo se miden en yardas y pies, que son unidades del sistema imperial de unidades.

Una yarda (yd) se define como

y una yarda contiene 3 pies (ft), por lo que

esto es, un acre equivale aproximadamente a 0.4 hectáreas (1 ha = 10000 m²).

Siglo

Un siglo es una unidad de tiempo equivalente a 100 años. La duración de un año es, aproximadamente 365 días más 1/4 (el año Juliano). Una mejor aproximación la da el año Gregoriano, que elimina tres años bisiestos cada cuatrocientos años, esto es

Por tanto, un siglo equivale a

Una buena aproximación sería decir que un siglo son

Unidad de Masa Atómica

La Unidad de Masa Atómica Unificada (u), también conocida como dalton (Da) se define como 1/12 de la masa de un átomo de 12C. Puesto que 1 mol de esta misma sustancia pesa 12 gramos y en 1 mol hay el Número de Avogadro de partículas, siendo

La unidad de masa atómica unificada equivale entonces a

Dado que el número de Avogadro es una cantidad experimental, la Unidad de Masa Atómica, a diferencia de otras unidades, tiene solo un valor aproximado, con una cierta incertidumbre. Su valor actual es

donde el 83 entre paréntesis representa la incertidumbre en las dos últimas cifras.

Constante de los gases ideales

El valor de la constante de los gases ideales en el SI se obtiene transformando las atmósferas a pascales y los litros a m³. Tenemos que

    

por lo que

Nótese que en el numerador aparece el julio, ya que

El valor experimental más preciso para R en el SI es

donde de nuevo el 15 entre paréntesis indica la incertidumbre en las dos ultimas cifras, esto es,

Libra-fuerza por pulgada cuadrada

La libra-fuerza por pulgada cuadrada, más conocida como psi (pounds per square inch) es una unidad de presión en el sistema imperial de unidades. Teniendo en cuenta que una libra-fuerza equivale a 4.448 N, que un pie tiene 12 pulgadas, una yarda tiene 3 pies y que una yarda equivale a 0.9144 metros, se obtiene que un psi equivale a