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• Jhon Alejandro Moreno Rodriguez

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Flotación y fuerza de empuje Abril 12, 2020

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS Y APLICADAS DEPARTAMENTO DE FISICA LABORATORIO DE CALOR Y ONDAS Autor 11, [email protected] Autor 22, [email protected] Autor 33, [email protected] Autor 44, [email protected]

FLOTACIÓN Y FUERZA DE EMPUJE

RESUMEN Mediante el siguiente laboratorio se medirá la fuerza de empuje (principio de Arquímedes) que recibe un cuerpo a ser introducido en agua, para poder calcularla se medirá el peso real del objeto y luego el peso aparente ósea el peso cuando esta adentro del agua y por medio de las leyes de newton se hallará su valor, para luego determinar otras características del objeto sumergido tales como su volumen y densidad, por ultimo observar si el objeto puedo o no flotar en el caso que pueda determinar el por qué. Palabras clave: Principio de Arquímedes, densidad, peso, volumen.

ABSTRACT By means of the following laboratory, the thrust force (Archimedean principle) received by a body to be introduced into water will be measured, in order to calculate it, the real weight of the object will be measured and then the apparent weight of the bone when it is in the water 1 2 3 4

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and by The value of Newton's laws will be found, to later determine other characteristics of the submerged object such as its volume and density, and finally observe if the object can or cannot float in case it can determine why. Key words: Archimedean principle, density, weight, volume.

1. INTRODUCCIÓN La fuerza de flotabilidad fue descubierta por Arquímedes, la cual estable que un cuerpo que se sumerge en un fluido experimenta una fuerza ascendente llamada empuje y que es igual al peso del fluido desplazado por él, este principio de carácter empírico fue posteriormente avalado mediante las leyes de newton. Donde, la fuerza de flotabilidad tiene su naturaleza en las presiones que ejerce el fluido sobre el cuerpo, cuando este se encuentra sumergido en su interior. Para determinar la dependencia de flotabilidad en forma experimental se utilizará un objeto de geometría regular o irregular al cual se dejará flotar parcialmente dentro de agua para verificar si la densidad relativa.

2. OBJETIVO GENERAL Medir la fuerza de empuje ejercida por un líquido sobre un cuerpo y determinar de qué parámetros depende esta.

3. OBJETIVOS ESPECIFICOS

•

Colocar un cuerpo que flote parcialmente sobre un líquido y verificar la densidad relativa.

•

Poner dos cuerpos sobre una masa de agua y determinar la fuerza de empuje de cada uno y otras características propias de cada cuerpo.

4. MARCO TEÓRICO

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Péndulo simple: Un péndulo simple se define como una partícula de masa m suspendida del punto O por un hilo inextensible de longitud l y de masa despreciable. Si la partícula se desplaza a una posición q 0

(ángulo que hace el hilo con la vertical) y luego se suelta, el péndulo comienza a oscilar. Péndulo simple: Un péndulo simple se define como una partícula 3

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de masa m suspendida del punto O por un hilo inextensible de longitud l y de masa despreciable. Si la partícula se desplaza a una posición q 0

(ángulo que hace el hilo con la vertical) y luego se suelta, el péndulo comienza a oscilar. Péndulo simple: Un péndulo simple se define como una partícula de masa m suspendida del punto O por un hilo 4

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inextensible de longitud l y de masa despreciable. Si la partícula se desplaza a una posición q 0

(ángulo que hace el hilo con la vertical) y luego se suelta, el péndulo comienza a oscilar. Péndulo simple: Un péndulo simple se define como una partícula de masa m suspendida del punto O por un hilo inextensible de longitud l y de masa despreciable. 5

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Si la partícula se desplaza a una posición q 0

(ángulo que hace el hilo con la vertical) y luego se suelta, el péndulo comienza a oscilar. Péndulo simple: Un péndulo simple se define como una partícula de masa m suspendida del punto O por un hilo inextensible de longitud l y de masa despreciable. Si la partícula se desplaza a una posición q 0 6

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(ángulo que hace el hilo con la vertical) y luego se suelta, el péndulo comienza a oscilar. Péndulo simple: Un péndulo simple se define como una partícula de masa m suspendida del punto O por un hilo inextensible de longitud l y de masa despreciable. Si la partícula se desplaza a una posición q 0

(ángulo que hace el hilo con la vertical) y luego se 7

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suelta, el péndulo comienza a oscilar. Péndulo simple: Un péndulo simple se define como una partícula de masa m suspendida del punto O por un hilo inextensible de longitud l y de masa despreciable. Si la partícula se desplaza a una posición q 0

(ángulo que hace el hilo con la vertical) y luego se suelta, el péndulo comienza a oscilar. El Principio de Arquímedes dice que si sumergimos un objeto en un fluido en reposo el empuje que ejerce el fluido sobre él será igual al peso del fluido desplazado. Si tenemos en cuenta que el empuje corresponde a una fuerza dirigida hacia arriba y que el peso del 8

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objeto es una fuerza dirigida hacia abajo, aplicando el Principio de Arquímedes el peso del objeto dentro del fluido será igual al peso fuera menos el empuje [1]: Pfluido =P aire−F empuje (1)

Figura 1. Fuerza de empuje sobre un objeto. Si además conocemos el volumen V del objeto, mediante la pesada fuera y dentro del fluido podremos determinar la densidad del fluido ya que según Arquímedes el empuje debe ser igual al peso del volumen V de fluido desalojado:

−Pfluido + Paire =ρgV (2) Si en vez de la densidad del fluido queremos conocer la densidad del objeto, también la podemos determinar mediante la medida de su peso dentro y fuera del fluido y aplicando la ecuación que se obtiene del principio de Arquímedes [2]. ρs− ρ Paire =Pfluido (3) ρs Para determinar cuando un objeto puede flotar o no dentro de un fluido se tendrán que dar una serie de condiciones, las cuales se observaran en la figura 2.

Figura 2. Condiciones de flotabilidad de un objeto.

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5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL - Colocar un cuerpo que flote parcialmente dentro de un fluido (agua). Verificar que la densidad relativa del cuerpo es menor que 1 o que la densidad absoluta es menor que la densidad del fluido. - Coloque dos cuerpos que floten dentro del mismo fluido (agua). Qué puede decir con respecto a: la fuerza de empuje, el volumen del cuerpo introducido y la densidad de los cuerpos: ¿Son iguales, diferentes? Explique sus respuestas. Repita los mismos procedimientos anteriores en otro fluido (alcohol), y haga los mismos análisis. MATERIALES: - Balanza - Calibrador - Objetos de geometría regular e irregular - Diferentes líquidos - Densímetros - Probetas - Vasos de precipitado - Beaker - Soportes

6. TABLAS Y DATOS EXPERIMENTALES

Tabla 1. Volumen de objetos a sumergir. datos 23,66 80,59 80,33 81,22 13,45

material aluminio hierro cobre bronce tornillo

volumen por formula - sin sumergir diámetro (cm) altura (cm) diámetro (m) radio (m) Altura (m) volumen (m^3) 1,87 3 0,0187 0,00935 0,03 8,2394E-06 1,888 4,07 0,01888 0,00944 0,0407 1,13943E-05 1,6 4,6 0,016 0,008 0,046 9,24887E-06 1,905 3,39 0,01905 0,009525 0,0339 9,6623E-06     0 0 0 0

Tabla 2. Medición de masa de los objetos. 10

volumen (ml) 8,239 11,394 9,249 9,662 0,000

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balanza- probeta material masa inicial masa final masa total (g) aluminio 551,34 551,82 0,48 hierro cobre bronce tornillo

550,69 550,54 550,21 549,93

562,04 559,62 559,83 551,72

11,35 9,08 9,62 1,79

Tabla 3. Volumen sumergido del objeto. material aluminio

masa/ volumen sumergida Vo Vf volumen (ml) 200 209

hierro cobre bronce tornillo

200 200 200 200

210 209,7 209 200,5

9 10 9,7 9 0,5

Tabla 4. Densidad de los objetos sumergidos. densidades (g/ml) aluminio

  0,053

hierro cobre bronce tornillo

1,135 0,936 1,069 3,58

7. ANÁLISIS Y RESULTADOS Inicialmente se procedió a calcular el volumen de los objetos a sumergir en agua mediante la fórmula del volumen de un cilindro ecuación (4) ya que todos los objetos tienen forma cilíndrica, esto se observa en la tabla 1 y se hizo para poder comparar esos valores con el volumen del objeto hallado por el principio de Arquímedes. V objeto =π∗r 2∗h ( 4 ) El método que utilizamos para hallar el volumen del objeto fue por medio de una probeta como se puede observar en la tabla 3 con la cual se midió el volumen inicial de un líquido luego se introdujo el objeto sólido y se procedió a medir el volumen final para determinar por diferencia el volumen del objeto.

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V objetoexperimental =V i−V f ( 5 ) Posteriormente se midió la masa de los objetos en cuestión por medio de una balanza y ya con ese dato se procedió a medir la densidad de los objetos y así poder calcular la fuerza de empuje que ejerce el líquido sobre el objeto. F empuje=mg−T = ( m−ma ) g ( 6 ) Fuerza de empuje del agua sobre los objetos: Tabla 5. Fuerza de empuje (agua) material del objeto aluminio hierro cobre bronce tornillo

la tensión H2O (g*m/s^2)

1

Fuerza de empuje (g*m/s^2) 3,704 110,23 87,984 93,276 16,542

En la tabla 5 se observa que el agua ejerce una mayor fuerza de empuje en el hierro y en bronce lo que quiere decir que son los objetos más densos. Fuerza de empuje del agua sobre los objetos: Tabla 6. Fuerza de empuje (glicerina) material del objeto aluminio hierro cobre bronce tornillo

la tensión C3H8O3 (g*m/s^2)

1,26

Fuerza de empuje (g*m/s^2) 3,444 109,97 87,724 93,016 16,282

Se observa en la tabla 6 que se redujo sustancialmente la fuerza de empuje sobre los cuerpos esto es por que como la glicerina es más densa no necesita ejercer tanta fuerza como es el caso del agua.

8. CONCLUSIONES 12

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

Se observo que el volumen del fluido desplazado por el objeto aumenta a medida que está a mayor profundidad, por lo que la densidad disminuye por ser inversamente proporcional a la cantidad de volumen.



Se determino en este laboratorio que un cuerpo al sumergirse en un líquido recibe un empuje por parte de esta, igual a el peso del objeto



Un cuerpo o líquido que tenga mayor densidad que el líquido al que se sumerge va a flotar cuando su densidad sea menor y se va a sumergir cuando su densidad sea mayor.

9. REFERENCIAS [1] SERWAY Raymond, Jewett John. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. Thomson editores, sexta edición. 2005.

[2] SEARS, Zemansky, Young. Física universitaria, Volumen 1. Pearson, Addison Wesley. Undécima edición. 2004.

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