Laboratorio principio de arquimenes

Resumen.

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica que se encarga del estudio de los fluidos en estado de equilibrio. Los principales teoremas que respaldan su estudio son el principio de pascal y el principio de Arquímedes.

En el presente informe se pretende comprobar específicamente el principio de Arquímedes, el cual, plantea que “todo cuerpo sumergido dentro de un fluido experimenta una fuerza ascendente llamada empuje, que es igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo”. Para su comprobación se utilizará un simulador en el que se representa un dinamómetro, un recipiente con agua y un objeto que será sumergido en el líquido.

Abstract.

Hydrostatics is the branch of fluid mechanics or hydraulics that is responsible for the study of fluids in a state of equilibrium. The main theorems that support his study are Pascal's principle and Archimedes' principle.

This report specifically attempts to verify Archimedes' principle, which states that "every body submerged within a fluid experiencing an upward force called thrust, which is equal to the weight of the fluid dislodged by the body." For its verification, a simulator will be used in which a dynamometer, a container with water and an object that will be submerged in the liquid are represented.

Introducción.

Se conoce como principio de Arquímedes a la definición que afirma que todo cuerpo sumergido parcial o totalmente en un fluido recibe una fuerza de abajo hacia arriba de igual magnitud al peso del fluido desplazado por el objeto. Esto lo podemos notar fácilmente en la vida cotidiana, en algún momento de nuestras vidas todos hemos experimentado esta sensación, cuando tratamos de levantar algo dentro del agua sentimos que el objeto pesa menos, por el contrario, si lo hacemos fuera del agua, notamos que es más difícil levantar el objeto. La explicación a este fenómeno es que aparentemente un cuerpo sumergido en un líquido experimenta una pérdida de peso debido a una fuerza ascendente llamada fuerza de empuje o empuje hidrostático.

Algo muy importante para tener en cuenta es que el empuje que actúa sobre el cuerpo sumergido depende del volumen del cuerpo. En este sentido, los cuerpos pequeños desplazan pequeñas cantidades de agua y sobre ellos actúan fuerzas de empuje pequeñas. Por el contrario, los cuerpos grandes desplazan grandes cantidades de agua y sobre ellos grandes fuerzas de empuje. Por lo tanto, es el volumen del cuerpo sumergido lo que determina el empuje y no su peso.

De acuerdo con lo anterior, en el siguiente laboratorio se busca determinar que parámetros influyen en la fuerza de empuje que realiza un fluido sobre un cuerpo sumergido en él, haciendo uso del simulador. El propósito de la experiencia es comprobar experimentalmente la teoría adquirida en la clase sobre el principio de Arquímedes.

Marco Teórico.

Este principio afirma que, estando un cuerpo sumergido en un fluido, se mantiene a flote por una fuerza igual al peso del fluido. Este principio, también conocido como la ley de hidrostática, se aplica a los cuerpos tanto en flotación como sumergida y a todos los fluidos.

El principio de Arquímedes también hace posible la determinación de la densidad de un objeto de forma irregular, de manera que su volumen no se mide directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, entonces; la diferencia de estos pesos igualará el peso del volumen del agua cambiado de sitio, que es igual al volumen del objeto. Así la densidad del objeto puede determinarse prontamente, dividendo el peso entre el volumen. Este principio se puede demostrar al estudiar las fuerzas que un fluido ejerce sobre un objeto suspendido.

Considérese un disco de área A y altura H el cual está completamente sumergido en un fluido. Recuérdese que la presión a cualquier profundidad h en un fluido está dada por:

                                                             P = pg h

En donde p es la densidad de masa del fluido y g la aceleración de la gravedad. Si se desea representar la presión absoluta dentro del fluido, se debe sumar la presión externa ejercida por atmosfera. La presión total hacia abajo P1 en la cara superior del disco es, por tanto

                                                P1 = Pa + pg h1 hacia abajo

                                         Si se desarrolla formula se llega a:

                                                       E = m g = Pf g V

Donde E es el empuje, Pf 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 la gravedad del fluido desalojado por el cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

Densidad: la densidad es una magnitud escalar que permite medir la cantidad de masa que hay en determinado volumen de una sustancia. En el área de la física y la química, la densidad de un material bien sea líquido, químico o gaseoso, en la relación entre masa y volumen.

Peso específico: el peso específico es la relación existente entre el peso y el volumen de una sustancia. Dado que el peso de un objeto es la medida en que la atracción de la tierra actúa sobre él, y al mismo tiempo el volumen es la superficie que dicho objeto ocupa, el peso específico constituye la relación entre ambas propiedades expresada en la Newtons sobre metro cúbico (N/m3), de acuerdo con el sistema internacional.

Masa: como masa designamos la magnitud física con que medimos la cantidad de materia que contiene un cuerpo. Como tal, su unidad, según el Sistema Internacional de Unidades, es el kilogramo (kg).

Fuerza: la fuerza es la magnitud vectorial por la cual un cuerpo puede deformarse, modificar su velocidad o bien ponerse en movimiento superado un estado de inercia e inmovilidad. Básicamente el poder o influencia de la fuerza se centra en la capacidad de modificar es estado de movimiento o de reposo que ya ostenté un cuerpo x.

Presión: Se conoce como presión a una magnitud física escalar representada con el símbolo p, que designa una proyección de fuerza ejercida de manera perpendicular sobre una unidad de superficie; dicho de otro modo, representa el modo de aplicar una fuerza resultante sobre una línea.

Presión del fluido: la presión de un fluido no es la misma que la se ejerce sobre un sólido. Se debe destacar que el fluido, dependiendo de donde se encuentre contenido, puede o no cambiar su forma.

Fuerza de flotación: Cuando un cuerpo está totalmente sumergido en un líquido en el reposo, el líquido ejerce presión hidrostática en cada una de las partes del cuerpo en contacto con el fluido.

Empuje: Un objeto flota si su densidad media es menor que la densidad del agua. Si éste se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza (el empuje) es mayor que su propio peso, y el objeto es impulsado hacia arriba y hacia afuera del agua hasta el peso del agua desplaza por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante.

Variando el volumen del cuerpo

Variando la densidad del cuerpo

Variando la densidad del Líquido

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