Flotacin de Cuerpos

Flotacin de Cuerpos

L A B O R A T O R I O D E F I S I C A #7

I. Resumen Introductorio

OBJETIVOS

1. Comprobar la ley de Arqumedes 2. Calcular la densidad de un objeto metlico utilizando esa ley

MATERIALES

Procedimiento A Balanza digital Vaso de precipitados (beaker) Piezas cilndricas metlicas Cuerda Pipeta (gotero)

Procedimiento B Balanza digital Vaso de precipitados (beaker) Probeta (100 ml) Pieza metlica Cuerda Pipeta (gotero)

TEORA RESUMIDA

Arqumedes comprob el efecto de la diferencia de presiones que sufre un cuerpo sumergido en un fluido, debido a la diferencia de alturas a que se encuentran las distintas partes de su superficie externa. Estableci que Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso de volumen de fluido desalojado. Esto se resume en la frmula que sigue: E = fluido Vparte sumergida del cuerpo g (1) En nuestra experiencia variaremos lentamente el volumen sumergido de una pieza cilndrica. Como el volumen de un cilindro es funcin de su altura, a mayor profundidad sumergida mayor ha de ser el empuje.

II. Reporte de datos

III. Clculos

Procedimiento A

1. Calcular valores de empuje para cada profundidad = 1000 kgMedidas sumergidasE= hgResultado

0.005 m(1000)()()( 0.005)(9.8)0.01463

0.01 m(1000)()) ( 0.01)(9.8)0.02926

0.015 m(1000)()()( ( 0.015)(9.8)0.04390

0.020 m(1000)()()( 0.020)(9.8)0.05853

0.025 m(1000)()()( 0.025)(9.8)0.07316

0.030 m(1000)()()( 0.030)(9.8)0.08780

0.035 m(1000)()()( 0.035)(9.8)0.10243

a) Calcular valor de la pendiente en la grfica de Medicin de la balanza vrs profundidad.b) c)

d) Procedimiento BCon los datos obtenidos, necesitar conocer o calcular:a) La masa de agua desplazada por la pieza M3 M0 = 85 g 70 g = 15 g 0.015 kgb) El empuje que sufre la pieza metlica en el interior del vaso con agua, obtenido a travs del proceso sealado en IV 3), por un lado, y el obtenido a travs de IV 6) por otro.

IV. ResultadoProcedimiento A1. Valores de empuje para las distintas profundidades.Medidas sumergidasMasas (kg)Empuje

0.005 m0.4170.01463

0.01 m0.4190.02926

0.015 m0.4200.04390

0.020 m0.4220.05853

0.025 m0.4230.07316

0.030 m0.4250.08780

0.035 m0.4260.10243

2. Grfica de Mediciones del Empuje vs. Masa.

+

3. Con la pendiente de la grfica, valor obtenido para la densidad del agua.

4. Densidad de la pieza metlica: use la ecuacin (3) de la teora resumida. Compruebe la validez de este resultado en una tabla de densidades.

Procedimiento B1. Confirme la ley de Arqumedes. Con las mediciones realizadas, calcule el empuje, E. Confirme ese valor mediante sumatoria de fuerzas que registra la balanza, en todos sus casos.

2. Realice diagramas de cuerpo libre para los siguientes cuerpos (subrayados):a) Pieza colgante sumergida pero sin tocar el fondo del vaso.TWE

ETW

b) Agua en el vaso con la pieza en su interior y sta no toca el fondo.

DfDfDf

c) Pieza colgante sumergida tocando el fondo vaso.ETW

NN

T

W

N

E

d) Agua en el vaso cuando tiene en su interior la pieza y sta toca el fondo

DfDfDfDf

V. Cuestionario

1. Haga un diagrama del objeto sumergido y explique mediante diferencia de presiones la aparicin del empuje. En el valor final del empuje, interviene la fuerza realizada por la presin atmosfrica? Deber esperarse un valor distinto del empuje si cambia la presin de la atmsfera terrestre? Explique. TWE

ETW

Realmente no interviene la presin atmosfrica, lo nico que se toma en cuenta es la densidad del fluido y la gravedad, cosas que con el cambio de presin se mantienen constantes. Por lo tanto si la presin de la atmosfera terrestre cambia, el empuje sera agua.

1. Por qu son iguales M1 y M2? Esto es una clave del experimento: exponga con claridad sus argumentos.

son iguales porque el cilindro solo desplaza el volumen de agua fuera del vaso de precipitado por lo tanto el volumen dentro del vaso sigue siendo el mismo.

1. En el paso 6) del Proced. Experimental A, la balanza registra la suma de varias fuerzas: pesos de vaso, agua y una fuerza adicional Cul es sta?

la fuerza adicional es el empuje.

1. Si en el procedimiento B hubiera utilizado cilindros de las mismas dimensiones pero de materiales distintos y realizado los mismos procesos que en el caso del cilindro de aluminio, debera encontrar empujes iguales para las mismas marcas o distintos? Explique.

Si uviesemos usado cilindros de las mismas dimensiones pero materiales diferentes serian empujes diferentes ya que son masas diferente (aun tengan las mismas medidas tienen pesos diferentes por el hecho de ser de materiales distintos) y esto tambin depende de la altura q este sumergido el cilindro.

1. Para la recta de la regresin lineal de VII B 2, indique y argumente: a. qu magnitud fsica representa la constante libre; b. validez para la Fsica de que el valor llamado R2 sea muy prximo a 1.

1. Un caso muy partculas de aceleracin constante es el de la gravedad. La aceleracin debido a la gravedad se da el smbolo g y su magnitud es aproximadamente 9.8 ignorando el efecto de la resistencia del aire, cualquier cuerpo que se deje caer en las inmediaciones de la Tierra se mueve con la aceleracin constante g. La direccin de g es vertical y en el sentido al centro de la Tierra.1. Permitiendo que el peso del volumen de agua desalojado aumente o disminuya en relacin al peso del cuerpo en su conjunto. En inspiracin, el peso especfico del cuerpo humano suele ser menor que 1, por lo tanto el cuerpo flotar; mientras que en espiracin el peso especfico suele ser mayor que 1, por lo tanto el cuerpo no flotar.

1. Suponga que en el procedimiento B se colgase el cilindro de un dinammetro e igualmente se fuera sumergiendo en el agua segn lo sealan las marcas. Cul es la fuerza neta que medira? Explique (Ser til que apoye sus argumentos con un diagrama de cuerpo libre)

La fuerza de empuje Se produce debido a que lapresinde cualquierfluidoen un punto determinado depende principalmente de la profundidad en que ste se encuentre.

1. (VALOR EXTRA) El empuje no acta habitualmente en el centro de masas. Qu sucede cuando el centro de empuje y el centro de masas no caen en la misma vertical? Explique despus por qu un barco puede hundirse aunque su densidad global promedio (por supuesto incluye la carga) sea menor que la del agua, si se distribuye inadecuadamente esa carga. Haga un bosquejo de la situacin con las fuerzas que intervendran con una mala distribucin de la carga. (Investigue sobre centro de empuje y momento de torsin)

El Centro de masa es el punto en el cual se puede considerar concentrada toda la masa de un objeto o de un sistema. El centro de empuje es el centro de gravedad del volumen deaguadesplazado por un flotador, para una condicin dada. Tambin se conoce con el nombre de centro de empuje, ya que es con fines de estabilidad donde se considera aplicada dicha fuerza. Si no estos centro no caen en el mismo vertical pierden du gravedad y pierden su centro de apoyo, lo cual produjera un mal balance se pesos por falta de que su aire se pierde y se vuelve ms denso.

Por qu un barco puede hundirse aunque su densidad global promedio sea menor que la del agua? El exterior del barco est fabricado con materiales mucho ms densos que el agua de mar; sin embargo, el volumen total del barco es mayoritariamente aire. Si hacemos media para obtener la densidad total del barco, obtendremos una densidad mucho menor que la del agua, de modo que parte del barco se mantiene fuera del agua.Vemos as, que para contabilizar la densidad de un cuerpo hemos de tener en cuenta cada parte del mismo que desplaza el fluido, incluido el aire que pueda contener. Esta es la clave del asunto. Tambin es cierto que necesitamos para nuestro experimento una gran cantidad de fluido para que el cuerpo que flote pueda desplazar el volumen de fluido requerido: es claro que una persona puede flotar en una piscina pero no en la baera. En el caso de un barco, puesto que un metro cbico de agua pesa una tonelada, para hacer flotar totalmente (reducir su peso a cero) a un barco de 1 000 toneladas es preciso que desplace 1 000 tons de agua. Es decir que el volumen del barco, por debajo de su lnea de flotacin, debe ser de, digamos, un cubo de 10 m por lado! Si es ms largo que ancho no tiene por qu estar tan sumergido y ser de menor calado.

(Segunda parte)

FLOTACIN DE CUERPOS (2da Parte)

I. Resumen Introductorio

OBJETIVOS1. Visualizar cmo cambia el empuje (fuerza boyante) sobre un objeto sumergido al cambiar la densidad del fluido. 2. Calcular la densidad de un objeto de masa prxima a la del fluido.

MATERIALES

Balanza Beaker Sal refinada (NaCl) Objeto de densidad prxima a la del agua (tapn rosado) Agitador

TEORA RESUMIDA

De la relacin entre las dos fuerzas que intervienen sobre un objeto sumergido (empuje y peso), se concluye la flotacin, el quedar suspendido en una zona intermedia del fluido o el hundirse. Esas tres posibles relaciones entre las fuerzas equivalen a relaciones semejantes entre las densidades del fluido y el cuerpo. Por ello si se tiene un cuerpo que inicialmente se hunde y se va aumentando la densidad del fluido (en nuestro caso por la dilucin continuada de sal), se puede conseguir que el cuerpo llegue a la zona intermedia en el fluido sin que se hunda ni llegue a flotar. De este modo la densidad del fluido llega a equipararse a la del cuerpo.II. Clculos

II PARTE1. Proporcin inicial de masas de agua y sal.

2. Proporcin final de masas de agua y sal.

3. Densidad de la mezcla agua-sal con la que se consigui que el tapn alcanzara la zona intermedia del beaker.

4. Densidad del tapn, obtenida tras la realizacin del paso 13.

II. ResultadosLas densidades del tapn y de la mezcla final de sal-agua.

Los resultados son relativamente iguales, su variacin se puede asumir por los errores en las mediciones u humanos.

III. CUESTIONARIO

1. Qu ventaja tiene usar agua caliente para la disolucin en lugar de agua fra?

Significa que la presin tiene poco efecto sobre las propiedades fsicas del agua, siempre que sea suficiente para mantener el estado lquido. Esta presin viene dada por la presin de saturacin del vapor, y se puede consultar en las tablas de vapor, o calcularlo.9Como indicacin, la presin de vapor saturado a 121C es de 100 kPa, a 150C es de 470 kPa, y a 200C es de 1 550 kPa. El punto crtico es de 21,7 MPa a una temperatura de 374 C por encima del cual el agua est en estado supercrtico y no sobrecalentada. Ya por encima de 300C, el agua comienza a comportarse como un lquido casi crtico, y las propiedades fsicas, tales como la densidad, comienzan a cambiar ms significativamente con la presin. Tambin parece haber constancia de que, con agua sobrecalentada por debajo de 300 C, una presin mayor aumenta la tasa de extracciones, pero esto podra deberse ms al efecto sobre el sustrato, en particular cuando se trata de sustancias vegetales, que a las propiedades del agua.

1. Qu dos fuerzas se igualan cuando se consigue que el tapn quede en la zona intermedia del beaker? A partir de ah muestre el porqu de la igualdad de densidades para lograr el equilibrio.

Dos clases de flotacin:flotacin dinmicayflotacin esttica. La primera se produce durante el desplazamiento en el agua, pero tambin es flotacin dinmica cuando no existe desplazamiento y se aplican determinadas fuerzas, Que la resultante de las fuerzas aplicadas sea igual a cero (F=0), es decir, que el Empuje sea igual al Peso (P=E), (figuras B de las imgenes 1 y 2). En este punto influye la densidad del agua y la densidad del cuerpo, parmetros de los que ya hemos hablado. Que la resultante de los momentos de las fuerzas aplicadas sea tambin cero, es decir, que el empuje y el peso tengan la misma lnea de aplicacin (figuras B de las imgenes 1 y 2), de lo contrario la resultante no ser nula, producindose un movimiento rotatorio (figuras A de las imgenes 1 y 2), hundindose la parte mas pesada, generalmente las piernas, hasta que el centro de gravedad y el centro de flotacin se hallen en la vertical.

1. Por qu decimos que, para conseguir el objetivo de la experiencia, no debe el tapn sobresalir por encima de la superficie libre del agua? (Deber analizar la ecuacin presentada en la teora resumida y mostrar qu dos fuerzas se igualan y, a partir de ah, dnde est la diferencia con el objetivo que persigue la experiencia)

1. Supongamos que tenemos un pedazo de plastilina y un recipiente con agua, s se simula una bola, y se tira en el recipiente, sta caer hasta el fondo; Qu sucede s simulamos una forma cncava, como un barco sta caer igual que al principio? Investigue Por qu los barcos (construidos con un material muy pesado como es el acero) son capaces de flotar?

El volumen total del barco es mayoritariamente aire. 1. S en vez de sal se utilizara azcar para formar la solucin, Se lograra comprobar el experimento? A pesar que los granos de sal y de azcar parecen similares a simple vista, tienen diferentes composiciones y propiedades, incluyendo diferentes densidades.La densidadde la sal y el azcar se pueden medir de diferentes maneras (densidadreal yla densidad aparente), y determinar cul tiene la mayordensidaddepende de cmo las mides.

1. EXTRA Considera que hubiera sido factible la experiencia Considera que hubiera sido factible la experiencia si la densidad del tapn hubiera sido mucho mayor que la del agua. Explique. (Deber leer acerca de sobresaturacin en las disoluciones).

Las disoluciones sobre saturadas se preparan, o resultan, cuando se cambia alguna condicin de una disolucin saturada. Por ejemplo se puede lograr mediante el enfriamiento ms lento de una solucin saturada, disminuyendo el volumen del lquido saturado o el aumento depresin. Al enfriarse una disolucin concentrada a elevada temperatura, en ciertos casos, se llega y se sobrepasa la condicin de disolucin saturada y se llega a la temperatura ambiente sin que haya precipitado el exceso de sustancia disuelta determinado por la diferencia de solubilidad con la temperatura. Todo el soluto est disuelto pero una cierta proporcin se encuentra en forma inestable y basta un pequeo cambio (remover la disolucin, aadir un pequeo cristal de soluto, para que el exceso disuelto precipite bruscamente, con desprendimiento del calor de disolucin

Laboratorio de Fsica #7