PRACTICA N° 3

FUERZA DE EMPUJE

OBJETIVOS

La realizacion de la presente practica tiene como objetivos.

Determinacion de la presion en diferentes puntos de un fluido en reposo. Determinacion de la fuerza de empuje y el peso aparente de un cuerpo

sumergido en un fluido de reposo. Determinacion del peso especifico, asi como su densidad de un cuerpo de

forma cualquiera sumergido en un fluido en reposo.

FUNDAMENTO TEORICO

Arquímedes, hacia el año 250 a.C., investigó alguno de los principios de la hidráulica, cuyas técnicas ya se empleaban con anterioridad, principalmente en sistemas de regadío y de distribución de agua por ciudades. Desde entonces se fueron desarrollando diversos aparatos y técnicas para el movimiento, trasvase y aprovechamiento del agua, siendo en general la cultura árabe la que desarrolló mayores proyectos y técnicas en este sentido. El principio de Arquímedes puede ser enunciado como: ``Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical, y dirigido hacia arriba, igual al peso del fluido desalojado. ''Este principio es de una importancia científica y de una aplicación práctica inmensas. La teoría de los cuerpos flotantes, la de los areómetros y de la determinación de los pesos específicos se fundan en esta ley. Muchos problemas de la navegación y todos los referentes al metacentro descansan igualmente en el principio de Arquímedes. El principio de Arquímedes se demuestra experimentalmente por medio de la balanza hidrostática. Esta balanza se diferencia de la ordinaria en que tiene un pequeño gancho en la parte inferior de uno de los platillos del que se suspenden dos cilindros de metal, el inferior macizo y el superior hueco, cuya capacidad es igual al volumen exterior del cilindro macizo. Establecido el equilibrio, colocando peso en el platillo opuesto, se sumerge el cilindro inferior en el agua. El equilibrio se altera inmediatamente, y para restablecerle basta llenar de agua el cilindro superior, lo cual prueba que la pérdida de

peso del otro cilindro es igual al peso del agua contenida en el cilindro hueco, cuyo volumen es igual exactamente al del cilindro sumergido. Este principio se demuestra también por el raciocinio. En efecto, considérese una masa líquida en equilibrio y que una parte de ella se solidifique tomando una forma regular o irregular, pero sin que aumente ni disminuya su volumen; entonces las presiones horizontales que sufre esa masa en tal estado deben destruirse mutuamente, y las presiones verticales producirán el equilibrio del cuerpo por obrar de abajo a arriba un empuje igual al peso de la masa; si se supone reemplazado el fluido solidificado por un cuerpo sólido de igual forma y dimensiones, éste sufrirá las mismas presiones, puesto que únicamente dependen de la extensión de las superficies y de su posición en la masa fluida, reduciéndose todas aquellas presiones a una fuerza que obra de abajo a arriba o a un empuje igual al peso del líquido desalojado. Si el peso del cuerpo excede al empuje, desciende en el líquido y la fuerza que le solicita a descender estará representada por la diferencia entre el peso del cuerpo y el del líquido desalojado, bastando para sostenerle una fuerza igual a dicha diferencia. Por medio del principio de Arquímedes se puede fácilmente obtener el volumen de un cuerpo que no se disuelva en el agua. Para esto se le suspende por medio de un hilo fino de un gancho de la balanza hidrostática, pesándole primero en el aire y después en el agua. La diferencia de peso expresa el peso del agua desalojada, y como de este peso se deduce el volumen líquido desalojado, es evidente que también éste será el volumen del cuerpo sumergido.

Fuerza de empuje

Todo líquido ejerce una fuerza hacia arriba que actúa sobre los cuerpos sumergidos en él.

Esta fuerza lo hará flotar si es mayor que el peso del cuerpo. Esta fuerza es la resultante del sistema de fuerzas de la presión que ejerce el líquido sobre el cuerpo sumergido, y actúa en todas direcciones. Esta fuerza tiene una dirección vertical de abajo hacia arriba.

La fuerza de empuje mayor cuanto más grande sea la densidad del líquido.

Acción del Peso y el Empuje. Si la el empuje es mayor el cuerpo flota. Si son iguales está equilibrado (dibujo) y si es menor el cuerpo se hunde.

Si P<E, flota, Si P=E queda sumergido en el sitio que se sitúe, Si P>E, flota

Tenemos por lo tanto que la fuerza de empuje se produce debido a que en cualquier fluido en reposo la presión aumenta con la profundidad, lo cual produce fuerzas perpendiculares ala superficie del cuerpo que son mayores en las partes del cuerpo que se encuentran más profundas. Esto produce una fuerza resultante ascendente ejercida por el fluido sobre el cuerpo que es igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo.

Por lo tanto si la presión en un fluido no aumentara con la profundidad no existiría fuerza de empuje.

Equilibrio

Las dos fuerzas que actúan sobre un cuerpo sumergido tienen puntos de aplicación diferentes. El peso en el centro de gravedad del cuerpo, el empuje en el centro de gravedad del líquido desalojado. Para que haya equilibrio es necesario que ambos centros se encuentren en la misma vertical y que sean iguales.

En el dibujo de la derecha, se pierde el equilibrio cuando los puntos de aplicación del empuje y del peso no tienen la misma vertical.

Cuando el cuerpo se inclina, el centro de empuje cambia de situación. Volverá a su posición si el metacentro, que es el punto que corta la vertical trazada por el centro de empuje a la vertical primitiva que pasa por el centro de gravedad, está encima del centro de gravedad.

Aplicaciones del Principio de Arquímedes

Los barcos de superficie están diseñados de manera que el metacentro quede siempre por encima del centro de gravedad en caso de que se muevan o desplacen lateralmente. El submarino en cambio no cambia ni de volumen pero sí de peso, adquiere agua para sumergirse y la expulsa con aire para disminuir su peso y subir.

Aplicaciones del Principio de Arquímedes a los Gases

Del mismo modo que sucede con los líquidos podemos decir que:

Todo cuerpo sumergido en un gas, experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen de gas que desaloja Por tanto se producen las mismas fuerzas que en el agua: la fuerza de empuje para ascender y la fuerza contraria que es su peso. Si se consigue que la fuerza de empuje sea mayor que el peso, el cuerpo flota. Este principio se aplica a los globos que están llenos de un gas menos pesado que el aire.

Densidad

Es la masa correspondiente a la unidad de volumen. Se llama densidad relativa a la relación entre la masa de un cuerpo y la de un volumen igual de agua destilada que se toma como comparación.

Densidad = masa / volumen

Peso Específico

Es el peso correspondiente a su unidad de volumen. Si llamamos p al peso, V al volumen, Peso específico es

P. e. = P / V

También existe el peso específico relativo que es la relación entre el peso específico de un cuerpo y el de un volumen igual de agua destilada. Entre Peso específico y Densidad hay diferencia y a que aunque no cambia la masa, el peso sí. Pero de todas maneras al compararse con agua destilada se consideran ambos conceptos iguales.

EQUIPO O INSTRUMENTAL

PROBETA REGLA GRADUADA

PIE DE REY BALANZA

PROCEDIMIENTO

Llenar las 2 probetas de H2O hasta una altura de 5 cm respecto a sus bases y y determine la presion en ambas probetas respecto a dichas bases, mediante las ecuaciones 1 y2.

Repita el paso anterior por lo menos 5 veces.

Fije uno de los cuerpos dados a la cuerda, e introduzcalo en la probeta de mayor capacidad, y observe el incremento de volumen en la pobeta. Tenga en cuenta que ese incremento de volumen es igual al volumen del cuerpo.

Repita el paso anterior en el otro cuerpo.

Determine la masas de los cuerpos con ayuda de la balanza. Sugerencias : es preferible sumergir el cuerpo en la probeta mojado.

No introduzaca demasiado el cuerpo

Las masas de los cuerpos deben determinarse cuando esten secos.

PROBLEMAS

5. Porque los globos de hidrogeno tienden a escapar hacia arriba. explicar.

Un globo es una máquina que permite ascender y moverse en el aire. Civil y gubernamentalmente está considerado como una aeronave, clasificado como un aerostato, necesitando para poder pilotarlo el título de piloto de globo, expedido por aviación civil.¿Por qué vuela un globo? Un globo de aire caliente, no vuela sino flota dentro del viento. Basamos esta forma de vuelo, como nos enseña la física, en que el aire caliente pesa menos que aire frio, teniendo por ello a subir.

6. A su criterio cuales son las razones por las cuales un barco no se hunde ¿ en que se basan los submarinos?

Un objeto que esta hueco tiene poca densidad, porque en su mayoría está lleno de aire.

Con el barco ocurre lo mismo, aunque sea de hierro flota en el agua a causa del aire que tiene dentro.

En el caso de que se le haga un agujero en el casco, el agua entrara expulsando el aire hacia fuera, entonces la densidad de barco será mayor que la del agua y el barco se hundirá.

CONCLUSIONES

Haciendo este informe de laboratorio sobre la estática en fluidos pudimos establecer y determinar la densidad de un sólido en diferentes casos utilizando el principio de

Arquímedes de manera correcta, reconociendo que todo objeto sumergido parcial o totalmente experimenta un fuerza de empuje igual al peso del fluido desplazado por dicho objeto.En el experimento pudimos determinar que un objeto experimenta una misma fuerza de empuje no importa la profundidad en la que se encuentre, pues el volumen será el mismo y la densidad del fluido se mantiene constante en todos sus puntos (bajo condiciones normales) como lo explica el principio de Arquímedes.

Al preguntarnos en esta experiencia qué efecto tenía la densidad en estos dos casos pudimos concluir que un cuerpo flota cuando su peso no excede la fuerza de empuje, y se hunde cuando esta última es menor que el peso, pero como sabemos tanto el empuje como el peso dependen del mismo volumen del objeto pero tienen densidad diferente (el cuerpo y el fluido), entonces la flotabilidad dependerá de la densidad. Cuando la densidad del objeto es mayor a la del líquido, debido a que el peso del objeto supera a la fuerza flotante, se hundirá el objeto, mientras que cuando es menor su densidad a la del líquido como no tiene necesario peso para soportar la fuerza de empuje éste flotará.