Arquimedes

INTRODUCCIÓN

En la naturaleza encontramos una serie de fenómenos que suceden a diario y que en algunas ocasiones pasan desapercibidos para nuestros ojos. Él poder comprender de manera más amplia estos fenómenos nos ayuda a entender mejor cómo se comportan algunas fuerzas que entran en acción bajo ciertas circunstancias.

Si bien el concepto de flotar está muy arraigado en nuestro vocabulario, la comprensión de éste como fenómeno físico comprende una serie de estudios, los cuales podemos ver en el Principio de Arquímedes.

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; su peso total es exactamente igual al peso del agua que desplaza, y esa agua desplazada ejerce la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.

El principio de Arquímedes permite determinar también la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en aire y luego en agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen). Si se requiere una precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos.

En esta práctica de laboratorio se comprobará este principio, es decir se verificará que el peso aparente de un cuerpo sumergido en un líquido es igual al peso del fluido desalojado y que la fuerza de empuje que experimenta depende de la densidad del fluido y del volumen que desaloja.

OBJETIVOS

Objetivo general

Estudiar y verificar experimentalmente el principio de Arquímedes.

Objetivos específicos

Verificar que la fuerza de empuje ejercida por el agua es igual al peso del volumen del líquido desalojado por el cuerpo.

Comprobar que la pérdida aparente de peso de un cuerpo al sumergirlo en un líquido depende de la densidad de dicho líquido y del volumen de fluido que desplaza.

Calcular el porcentaje error entre los valores de la fuerza de empuje teórica y experimental.

PALABRAS CLAVE: fuerza de empuje, peso aparente, densidad, volumen desalojado.

FUNDAMENTO TEÓRICO

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en Newton (en el SIU). El principio de Arquímedes se formula así:

F_E= m*g=ρ_f*g*v ec.1.1

Donde F_E es el empuje, ρ_f es la densidad del fluido, v el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa, de este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales y descritas de modo simplificado) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del fluido desalojado por el cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.

La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en las figuras:

El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.

La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.

Sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas; su peso, que es vertical y hacia abajo y el empuje que es vertical pero hacia arriba.

Si queremos saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico, que es igual a su peso dividido por su volumen. Entonces, se pueden producir tres casos:

1. si el peso es mayor que el empuje (w > F_E), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del cuerpo es mayor al del líquido.

2. si el peso es igual que el empuje (w = F_E), el cuerpo no se hunde ni emerge. El peso específico del cuerpo es igual al del líquido.

3. Si el peso es menor que el empuje (w < F_E), el cuerpo flota. El peso específico del cuerpo es menor al del líquido.

EQUIPOS Y MATERIALES

Agua

Montaje de dinamómetro

1 Recipiente o vaso de rebose

1 Probeta graduada

Recipientes o cubetas metálicas

1 termómetro

METODOLOGÍA

Se dispuso del montaje del dinamómetro como el de la figura.

Fig. 1. Montaje dinamómetro

Fuente: García, Roberto. Gómez, Hernán y Sánchez, Iván. Manual de laboratorios de mecánica de fluidos. Universidad de Nariño.

Se calibra el dinamómetro en ceros.

Se

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