Fuerza hidrostática: problemas de práctica con soluciones paso a paso

También llamado: presión hidrostática · empuje sobre superficies · centro de presiones

Problemas gratis de Fuerza hidrostática con diagramas, pistas y soluciones completas. Valores nuevos cada vez, en tres niveles: pared vertical, compuerta sumergida, centro de presiones.

Problema de práctica gratisFácil
h = 3 m

Hay agua de 3 m de profundidad contra una pared vertical. Halla la altura ȳ sobre el fondo a la que actúa la fuerza resultante.

h = 3 mb = 4 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
m
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Qué practicas

  1. Fácilpared vertical
  2. Mediacompuerta sumergida
  3. Difícilcentro de presiones

Fórmulas clave

Presión a una profundidad
p = ρgh
Fuerza sobre una pared vertical
F = ρg·hc·A
Centro de presiones
yp = yc + Ic/(ycA)
Rectángulo
Ic = bH³/12

Aprende Fuerza hidrostática desde cero

1Qué es la fuerza hidrostática

El agua en reposo empuja cada superficie que toca: la pared de un depósito, una presa, la compuerta de una esclusa. Ese empuje es la fuerza hidrostática.

Cuanto más profundo vas, con más fuerza empuja el agua. Lo notas en los oídos cuando te sumerges hasta el fondo de una piscina.

La presión a una profundidad h bajo la superficie libre es el peso de la columna de agua que hay encima de un metro cuadrado:

p = ρ · g · h

ρ es la densidad (1000 kg/m³ para agua dulce) y g = 9,81 m/s². Con h en metros, p sale en Pa (N/m²). Divide entre 1000 para obtener kPa.

La presión actúa perpendicularmente a la superficie. No depende de la forma ni del ancho del depósito, solo de la profundidad.

Autoevaluación ¿Cuál es la presión del agua a 5 m bajo la superficie de un lago? (ρ = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s²)
  1. 24,5 kPa
  2. 49,05 kPa
  3. 5 kPa
  4. 98,1 kPa

Respuesta: 49,05 kPa. p = 1000 · 9,81 · 5 = 49 050 Pa = 49,05 kPa. Si omites g sale 5 kPa, que es una masa por área, no una presión.

2Fuerza sobre una pared vertical

En una pared vertical la presión crece linealmente desde cero en la superficie hasta ρgh en el fondo. La carga sobre la pared es un triángulo.

h = 3 mF

La fuerza total es el área de ese triángulo por el ancho b de la pared:

F = ½ · ρg·h · h · b = ½ · ρ · g · h² · b

La fuerza actúa a través del centroide del triángulo, a un tercio de la altura por encima de la base:

ȳ = h / 3 (desde la base)

Así que la fuerza actúa más abajo que la mitad de la pared. Tiene sentido: la parte inferior es la que más se empuja.

Autoevaluación Hay agua de 2 m de profundidad contra una pared vertical de 1 m de ancho. ¿Cuál es la fuerza resultante? (ρg = 9810 N/m³)
  1. 19,62 kN
  2. 39,24 kN
  3. 4 kN
  4. 9,81 kN

Respuesta: 19,62 kN. F = ½ · 9810 · 2² · 1 = 19 620 N = 19,62 kN. Usar la presión de la base sobre toda la pared (39,24 kN) olvida el ½: la presión es cero arriba.

3Compuertas sumergidas y centro de presiones

Una compuerta situada a gran profundidad en la pared de un depósito no empieza en la superficie. Para cualquier superficie plana, la fuerza es igual a la presión en su centroide por su área:

F = ρ · g · yc · A

yc es la profundidad del centroide. Para una compuerta rectangular de altura H cuyo borde superior está a una distancia d bajo la superficie, yc = d + H/2 y A = H·b.

La fuerza no actúa en el centroide. Actúa algo más abajo, en el centro de presiones, porque la parte inferior de la compuerta se empuja con más fuerza:

ycp = yc + Ic / (yc · A), Ic = b·H³/12

Ic es el momento de inercia de área de la compuerta respecto a su propio centroide. Cuanto más profunda está la compuerta, más se acerca ycp a yc.

Para una pared que empieza en la superficie (d = 0) esto da ycp = 2h/3 bajo la superficie, que equivale a h/3 por encima de la base.

4El método paso a paso

  1. Dibuja la superficie y marca su profundidad bajo la superficie libre: borde superior d y altura H (o profundidad h para una pared).
  2. Halla la profundidad del centroide yc y el área A.
  3. Usa la densidad del líquido de la pregunta: agua 1000, agua de mar 1025, aceite 880 kg/m³.
  4. Fuerza: F = ρ·g·yc·A. Divide entre 1000 para obtener kN.
  5. Si se pide la línea de acción: ycp = yc + Ic/(yc·A), medida hacia abajo desde la superficie libre.

5Un ejemplo resuelto

Sigue cada paso. Intenta adivinar el siguiente antes de abrirlo.

Ejemplo resuelto

Una compuerta rectangular vertical de 2 m de ancho y 2 m de alto está en la pared de un depósito de agua, con su borde superior 1 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

1

Observa la compuerta

d = 1 mH = 2 m

La compuerta va de 1 m a 3 m bajo la superficie. Su ancho hacia el interior de la página es b = 2 m.

2

Profundidad del centroide

yc = d + H/2 = 1 + 2/2 = 2 m
3

Área

A = H · b = 2 · 2 = 4 m²
4

Presión en el centroide

pc = ρ·g·yc = 1000 · 9,81 · 2 = 19 620 Pa = 19,62 kPa
5

Fuerza resultante

F = pc · A = 19,62 · 4 = 78,48 kN
6

Comprueba la respuesta

d = 1 mH = 2 mF

La presión es 9,81 kPa en el borde superior y 29,43 kPa en el inferior. Su promedio es 19,62 kPa, así que la fuerza vuelve a ser 19,62 · 4 = 78,48 kN.

Respuesta

F = 78,48 kN, actuando horizontalmente sobre la compuerta.

6Errores frecuentes

  • Poner la fuerza en el centroide. Actúa más abajo: a h/3 por encima de la base en una pared, en ycp en una compuerta.
  • Medir ȳ desde la superficie cuando la pregunta pide la altura sobre la base, o al revés.
  • Usar la profundidad del borde superior, o del inferior, en lugar de la profundidad del centroide.
  • Olvidar el ½ en una pared que empieza en la superficie.
  • Omitir g, o usar la densidad del agua para aceite o agua de mar.
Autoevaluación Hay agua de 6 m de profundidad contra una pared vertical. ¿Dónde actúa la fuerza resultante?
  1. A 2 m bajo la superficie
  2. A 2 m por encima de la base
  3. A 3 m por encima de la base
  4. A 4 m por encima de la base

Respuesta: A 2 m por encima de la base. La carga triangular actúa a través de su centroide, h/3 = 2 m por encima de la base. 3 m es la mitad de la pared, donde la fuerza actuaría solo si la presión fuera uniforme.

7Cómo son las preguntas de examen

  • Fácil: agua contra una pared vertical desde la superficie hacia abajo. Halla F = ½ρgh²b o la altura ȳ = h/3 por encima de la base.
  • Medio: una compuerta rectangular sumergida en agua. Halla F = ρg·yc·A, como en el ejemplo.
  • Difícil: la misma compuerta en aceite, agua de mar o glicerina, y a veces la profundidad del centro de presiones ycp.

Para la compuerta del ejemplo: Ic = 2 · 2³/12 = 1,333 m⁴, así que ycp = 2 + 1,333/(2 · 4) = 2,167 m bajo la superficie. Eso son 0,167 m por debajo del centroide.

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Ejemplos resueltos

Ejemplo 1Fácil
h = 4 m

Hay agua de 4 m de profundidad contra una pared vertical. Halla la altura ȳ sobre el fondo a la que actúa la fuerza resultante.

h = 4 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

Calcula ȳ (m)

Mostrar pistas
  1. La presión en un líquido en reposo es p = ρ·g·z.
  2. El diagrama de presiones sobre la pared es un triángulo. F es su área por el ancho; actúa en su centroide.
  3. La presión en el fondo es 39,24 kPa.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Fuerza hidrostática: sobre una superficie plana, F = ρ·g·yc·A, donde yc es la profundidad del centroide. Actúa por debajo del centroide, en el centro de presiones.

h = 4 mF

La presión varía linealmente con la profundidad

p = ρ·g·z, desde cero en la superficie hasta ρ·g·h en el fondo, así que la carga sobre la pared es un triángulo.

pbase = ρgh = 1000·9,81·4 = 39,24 kPa

Línea de acción

Una carga triangular actúa en su centroide, a un tercio de la altura desde el fondo
ȳ = h/3 = 4/3 = 1,333 m sobre el fondo

Respuesta

ȳ = 1,333 m
Ejemplo 2Media
compuertad = 4 mH = 1,5 m

Una compuerta rectangular vertical de 3 m de ancho está en la pared de un depósito de agua, con su borde superior a 4 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 4 mH = 1,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

Calcula F (kN)

Mostrar pistas
  1. Para una superficie plana, F = ρ·g·yc·A, con yc la profundidad del centroide de la compuerta.
  2. El centroide de un rectángulo está a media altura: yc = d + H/2.
  3. yc = 4,75 m.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Fuerza hidrostática sobre una superficie plana: F = ρ·g·yc·A. Actúa en el centro de presiones, ycp = yc + Ic/(ycA), que siempre está por debajo del centroide.

Profundidad del centroide y área

yc = d + H/2 = 4 + 1,5/2 = 4,75 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
compuertad = 4 mH = 1,5 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,75·4,5 = 209,7 kN

Respuesta

F = 209,7 kN
Ejemplo 3Difícil
compuertad = 2 mH = 2 m

Una compuerta rectangular vertical de 1,5 m de ancho está en la pared de un depósito de agua de mar, con su borde superior a 2 m bajo la superficie. Halla la profundidad ycp del centro de presiones bajo la superficie.

d = 2 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²

Calcula ycp (m)

Mostrar pistas
  1. Para una superficie plana, F = ρ·g·yc·A, con yc la profundidad del centroide de la compuerta.
  2. Usa ycp = yc + Ic/(yc·A) con Ic = bH³/12.
  3. yc = 3 m.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Fuerza hidrostática sobre una superficie plana: F = ρ·g·yc·A. Actúa en el centro de presiones, ycp = yc + Ic/(ycA), que siempre está por debajo del centroide.

Profundidad del centroide y área

yc = d + H/2 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
compuertad = 2 mH = 2 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3·3 = 90,5 kN

Centro de presiones

La presión aumenta con la profundidad, así que la resultante actúa por debajo del centroide.

Ic = b·H³/12 = 1,5·2³/12 = 1 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 1/(3·3) = 3,111 m

Respuesta

ycp = 3,111 m

Preguntas y respuestas

Fuerza hidrostática: ¿qué es?

El agua en reposo empuja cada superficie que toca: la pared de un depósito, una presa, la compuerta de una esclusa. Ese empuje es la fuerza hidrostática.

Cuanto más profundo vas, con más fuerza empuja el agua. Lo notas en los oídos cuando te sumerges hasta el fondo de una piscina.

Fuerza hidrostática: ¿cómo se resuelven los ejercicios paso a paso?

Fuerza hidrostática: sobre una superficie plana, F = ρ·g·yc·A, donde yc es la profundidad del centroide. Actúa por debajo del centroide, en el centro de presiones.

Fuerza hidrostática: ¿qué se practica?
  • Fácil: pared vertical
  • Media: compuerta sumergida
  • Difícil: centro de presiones

Cada problema tiene valores nuevos, así aprendes el método y no una respuesta. ¿Te has atascado? Abre primero una pista pequeña y la explicación completa solo cuando la necesites.

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