¿Alguna vez te has preguntado por qué algunos objetos flotan mientras que otros se hunden? ¿Sabías que cada objeto en un líquido experimenta una fuerza hacia arriba del líquido? Profundicemos y descubramos más.
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
Al final de este tema, se espera que usted;
INTRODUCCIÓN
Todos los objetos en un líquido experimentan una fuerza hacia arriba del líquido, ya sea que estén sumergidos o flotando. Esta fuerza hacia arriba se conoce como fuerza de empuje hacia arriba . La fuerza de empuje hacia arriba también se denomina fuerza de flotación y se denota con la letra "u".
PRINCIPIO DE ARQUIMEDES
Un científico griego, llamado Arquímedes, realizó los primeros experimentos para medir el empuje hacia arriba de un objeto en líquido. El principio de Arquímedes establece que “cuando un cuerpo está completamente sumergido en un fluido, experimenta una fuerza hacia arriba que es igual al peso del fluido desplazado”.
Cuando un sólido se sumerge en un líquido, el empuje hacia arriba de este sólido será igual al peso del agua desplazada.
Por ejemplo, un bloque de metal cuyo volumen es de 60 cm 3 y pesa 4,80 N en el aire se sumerge en un líquido. Determine el peso del bloque cuando está completamente sumergido en un líquido que tiene una densidad de 1200 kgm -3 .
Solución
Volumen del líquido desplazado = 60 cm 3 = 6,0 × 10 -5 m 3 .
Peso del líquido desplazado = volumen x densidad 6,0 × 10 -5 × 1200 × 10 = 0,72 N
Upthrust = peso del líquido desplazado. Peso del bloque en líquido = 4,80 – 0,72 = 4,08 N
OBJETOS FLOTANTES
Los objetos que flotan en líquidos son menos densos que los líquidos en los que flotan. Se puede determinar la relación entre el peso del líquido desplazado y el del cuerpo.
El peso del líquido desplazado es igual al peso de un bloque en el aire. Esto es consistente con la ley de flotación que establece que “un cuerpo se desplaza por su propio peso”. Esta relación se puede representar matemáticamente como se muestra a continuación;
Peso = volumen x densidad x gravedad = v × ρ × g
W = vd × ρ × g donde vd es el volumen del líquido desplazado.
Tenga en cuenta que la flotación es un tipo especial del principio de Arquímedes. Esto se debe a que un cuerpo flotante se hunde hasta que el empuje hacia arriba es igual al peso del cuerpo.
DENSIDAD RELATIVA
La densidad relativa se ha establecido como la relación entre la densidad de una sustancia y la densidad del agua. Por la ley de flotación, un objeto desplaza un fluido que es igual a su propio peso por lo que se pueden establecer las siguientes expresiones matemáticas.
Densidad relativa = \(\frac{\textrm{ density of substance}}{\textrm{density of water}}\) \(\frac{\textrm{weight of substance}}{\textrm{weight of equal }volume of water}\) = \(\frac{\textrm{mass of substance}}{\textrm{mass of equal volume of water}}\)
APLICACIONES DE LA DENSIDAD RELATIVA Y EL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
1. Barcos . ¿Alguna vez te has preguntado por qué una aguja de hierro se hunde inmediatamente en el agua pero no un gran barco? La respuesta es el principio de Arquímedes. El clavo se hunde porque el peso del agua desplazada es menor que el de la aguja, la densidad del hierro es mayor que la del agua. El principio de Arquímedes se aplica en la construcción de barcos. Grandes porciones del barco se dejan huecas para que el barco pese menos que el agua desplazada. Una fuerza de flotación con una magnitud igual al agua desplazada mantiene el barco a flote.
2. Submarinos . Un submarino puede flotar en el agua y también puede sumergirse. Esto se logra con los tanques de lastre y comprimido. Cuando el tanque de lastre se llena de agua, el submarino se sumerge. Esto se debe a que tiene una densidad mayor que el agua desplazada. Cuando se expulsa el agua del tanque de lastre, con la ayuda del tanque comprimido, la densidad del submarino desciende menos que la densidad del agua desplazada. Por lo tanto, el submarino puede flotar.
3. Globos aerostáticos . El globo se eleva en el aire cuando el aire que lo rodea tiene mayor peso que el globo. Cuando el peso es igual, el globo permanece estacionario.
4. Hidrómetros . Este es un instrumento utilizado para medir la gravedad específica o la gravedad de los líquidos. Está formado por un tubo hueco de vidrio con una base más ancha en forma de bulbo y está sellado por ambos extremos. El nivel del hidrómetro que está sumergido en un líquido y el agua desplazada por el hidrómetro se mide para obtener la gravedad específica de un líquido. Si el hidrómetro se hunde más, muestra que el suelo de muestra tiene una gravedad específica menor.
