UNIVERSIDAD DE ORIENTE (UNIVO) Facultad de:
Ingeniería y Arquitectura Asignatura:
Física II N° y nombre del Laboratorio:
Laboratorio N° 2 Principio de Arquímedes Grupo de clase:
Grupo A Día y hora del laboratorio:
Lunes 1:40-3:20 pm. Docente:
MAE. Lic. Ana Lozano de Campos. Integrantes:
Chavarría Segovia, Edwin Geovanny Franco López, Nelson Edgardo Jiménez Álvarez, Jackeline Elizabeth Rivera Gómez, Claudia Cecibel Rosa Amaya, José Luis Fecha:
Lunes 25 de Febrero del 2013
INDICE
Materiales y equipo utilizado ............................................................ 5 Montaje experimental ....................................................................... 7 Procedimiento ................................................................................... 8 Resultado y análisis ....................................................................... .11 Cuestionario........................................................................ ............12 Recomendaciones .......................................................................... .16
Introducción
En el presente trabajo se pretende determinar experimentalmente el peso real y el peso aparente de un cuerpo, además verificar experimentalmente el principio de Arquímedes, el cual dice: que si un cuerpo sumergido parcial totalmente en un fluido, este ejerce una fuerza hacia arriba sobre el cuerpo igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo. Flotabilidad: Si tenemos un cuerpo sumergido en un líquido, podemos predecir si flotará total o parcialmente sumergido, o bien descenderá hasta el fondo del recipiente El laboratorio consto de dos partes, en una ver el peso real de un cuerpo y otro de ver la flotación de los cuerpos, en una explicación más clara tenemos que el principio descubierto por el científico griego Arquímedes, en donde 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 a los sumergidos; 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 en agua, entonces; la diferencia de estos dos será la fuerza hidrostática o empuje hidrostático, y el agua desalojada al sumergirlo será el volumen del cuerpo. Así la densidad del objeto puede determinarse prontamente, dividendo el peso entre el volumen. Si tenemos un cuerpo sumergido en un fluido (en nuestro caso consideraremos el agua), podremos observar que el peso del cuerpo parece disminuir a medida que el cuerpo se sumerge en el líquido. En este caso, el peso del cuerpo depende de varios factores: a.- En primer lugar, la propia masa del cuerpo. b.- En segundo lugar, la densidad del líquido. c.- En tercer lugar, la volumen del cuerpo que está sumergida en el fluido. La propia masa de un cuerpo determinará el peso real de dicho cuerpo. El tipo de líquido (su densidad) en que se sumerge el cuerpo y la porción del cuerpo sumergido.
Objetivos
1. Determinar experimentalmente el peso real y el peso aparente de un cuerpo.
2. Verificar experimentalmente el principio de Arquímedes, utilizando el volumen desalojado por un cuerpo al sumergirlo en un líquido (agua).
3. Desarrollar un concepto más claro sobre la aplicación del principio de Arquímedes.
4. Implementar los diferentes conceptos teóricos aprendidos con anterioridad a los determinados conceptos necesarios en la práctica para tener una mejor precisión en la recopilación de datos y una adecuada comprensión de los mismos.
Materiales y equipo utilizado Pie estativo
Nuez doble
Dinamómetro de 2N
Varilla de soporte de 60 cm y 10 cm
Probeta
Vaso de expansión 250 ml
Beaker de 100 ml, 250 ml, 600 ml
Materiales(Cubo, Nuez y pieza de ranura )
Sedal, cinta métrica o regla
Columna de madera, aluminio o hierro, tapón de goma, plastilina, unión en forma de T.
Montaje experimental
Con los materiales ante mencionado se procedió a armar el equipo, primero se colocó el pie estativo en la mesa como base para colocar la varilla de soporte de 60 cm, en la varilla de soporte se colocó la varilla de soporte 10 cm, en esta varilla de 10 cm se colocó la nuez doble en la cual iría enganchado el dinamómetro de 2 N, el sedal se utilizó parara colocar el cuerpo irregular que posteriormente se sumergiría en el agua. Con esto en si el equipo ya está armado, luego se procede a colocar los materiales para el tipo de experimento, como el experimento consiste en sumergir un cuerpo irregular dentro de un recipiente con agua, esto para obtener el peso real (aire) y el peso aparente (agua), debajo del dinamómetro se coloca en vaso de expansión, en el cual desalojaría el agua al introducir el cuerpo, en donde estaba el tubo de expansión donde sale el agua se colocó el beaker para que el agua desalojada se acumulara en él. Los demás materiales se ocuparon para el experimento de flotación, pero al resultado final del montaje de todos los materiales quedo como muestra la imagen. Este equipo en este experimento es de gran ayuda ya que para el cálculo de empuje hidrostático se necesitaba saber el peso del cuerpo y el volumen, como estos eran cuerpos irregulares no tenían medidas sencillas de realizar, entonces mediante estos materiales se podía ser posible medirlo, e l volumen del cuerpo se mediría por el líquido desalojado al introducirlo en el vaso de expansión, el peso real y aparente por medio del dinamómetro que
esta sostenido en la la varilla de 10 cm. Todo el el procedimiento y los resultados
obtenidos se presentan a continuación.
Procedimiento El procedimiento se realizó en base a las indicaciones que el docente impartió, el cual está
divido en dos partes, tratada sobre el principio de Arquímedes los resultados de todo este procedimiento están en la tabla (1,2 y 3) respectivamente, a continuación se presentan los procedimientos. Parte I. Empuje hidrostático en cuerpos irregulares ¿Qué se hizo?
Se tomaron los objetos con los cuales se iban a trabajar (Pieza de ranura y nuez doble), las cuales se pesaron con los dinamómetros para calcular su peso real al aire ( ), y su peso aparente dentro del agua (), para el peso aparente se hizo uso del vaso de expansión el cual se llenó hasta que rebasara el volumen que tenía como límite y luego se introdujo el objeto dentro, se hizo uso del beaker para que el agua que desalojara el vaso de expansión callera en él y saber de cuanto era el volumen del objeto, esto se hizo para los dos objetos mencionados. ¿Cómo se hizo?
Para pieza de ranura.
Se pesó la pieza de ranura utilizando el dinamómetro, se determinó el peso en el aire ( ) dando como resultado un peso de: , luego se realizó el peso aparente, se sumergió la pieza dentro del vaso de expansión, al sumergir la pieza se obtuvieron dos datos, con el dinamómetro el peso aparente que fue de: , y con el beaker el volumen de la pieza de ranura de: , el volumen se calculó por medio del agua que el vaso de expansión derramo al momento de sumergir la pieza de ranura, el agua derramada fue alojada en el beaker. Se aplicó el principio de Arquímedes para el cálculo del empuje hidrostático () utilizando solo el peso al aire y el peso aparente que en una ecuación queda representado de la siguiente forma , para comparar resultados se aplicó una fórmula más exacta que nos llevaría a ese dato, de la forma
Para el nuez doble
Se realizó el mismo procedimiento que el objeto anterior, con el dinamómetro se determinó el peso al aire (), y se obtuvo el valor de: , se calculó con el dinamómetro el peso aparente que es el que se sumergió en el vaso de expansión y el dato fue de: , además al sumergirlo se obtuvo el volumen del objeto que era igual al agua derramada por el vaso de expansión, el cual fue alojado en el beaker y fue de: . Se aplicó el principio de Arquímedes para el cálculo del empuje hidrostático, los datos obtenidos se anotaron en la Tabla 1. Mostradas en la parte de Resultados y Análisis. ¿Para qué se hizo?
Todo el proceso anterior se hizo para calcular el Empuje hidrostáticos de dos formas la primera mediante la diferencia entre el peso real () y el peso aparente () dando como resultado los siguientes datos: 1. → para la pieza de ranura que es un cuerpo irregular 2.
→para la nuez doble que es un cuerpo irregular.
Esto desarrollando experimentalmente el principio de Arquímedes, que el fluido ejerce una fuerza hacia arriba sobre el cuerpo que es el Empuje hidrostático. Además la otra forma de poder calcular el empuje hidrostático () , es utilizando formula enunciada: la densidad del líquido líquido por el volumen del líquido desalojado por la gravedad dando los siguiente resultados: 1. 9 →para la pieza pieza de ranura que es un cuerpo irregular 2. →para la nuez doble que es un cuerpo irregular De estas dos formas se puede encontrar la fuerza ejercida de un líquido sobre un cuerpo sumergido, que a esta fuerza se le denomina: Empuje hidrostático
Parte II. Flotabilidad ¿Qué se hizo?
Para esta parte del experimento de flotabilidad se tomaron los materiales a utilizar en esto fueron: una columna de madera, columna de aluminio, tapón de goma, bola de plastilina y unión en forma de T. Con esto se realizó el experimento de flotabilidad el cual se hizo en un beaker de 600 ml. El cual se de agua
el beaker y agregamos los materiales
correspondientes esto solamente para observar si flotaba o no, para dar un análisis claro del porque no flotaba en el líquido. Además con la plastilina se creó un bola con la mitad de la plastilina y se sumergió en el beaker con agua para ver si flotaba, con la misma cantidad de plastilina se creó un barquito y también se ingresó en el recipiente con agua, esto para dar una respuesta del porque los dos cuerpos de diferente forma, peso y cantidad uno se hunde y el barco flota. Esta respuesta la daremos mas adelante. ¿Cómo se hizo?
Se llenó el beaker aproximadamente ¾ de agua y se agregaron sucesivamente los objetos antes mencionados, esto para observar si flotaban o no, los resultados están escritos en la Tabla No. 2.
Se dividió la plastilina en dos trozos iguales con uno de ellos se creó una bola y con el otro un barquito se colocaron en el agua, además al al barquito se le colocaron 10 bolitas de plastilina para ver si seguía flotando los resultados se anotaron en la Tabla No. 3. ¿Para qué se hizo?
Esto se hizo con el propósito de conocer la densidad de un cuerpo relacionada a su flotabilidad, para dar una explicación más clara de que depende la flotabilidad de un cuerpo si es por su volumen y por su densidad o por cualquier otra propiedad del cuerpo, las respuestas están comprendidas en la parte del cuestionario.
Resultado y análisis Tabla 1. Resultados de las medidas 3
Objetos
Cuerpo
Wr(N)
Wa (N)
Vfd(cm )
Eh(N) (Met 1.)
Eh (N) (Met. 2)
Pieza de ranura Nuez doble
Irregular Irregular
0.45 1.75
0.35 1.35
9.00 35.0
0.10 0.4
0.09 0.03
Tabla 2. Resultados obtenidos de los objetos. Objetos
Flota X
Columna de madera Columna de aluminio Tapón de goma Bola de plastilina Unión en forma T
No flota X X X
X
Tabla 3. Resultados obtenidos de la bola y el barquito Objetos
Bola Barquito Bola Barquito Barquito vacío Barquito cargado
Flota
No flota
X X X X X X
Observación: el barquito cargado floto hasta cierta cantidad de pelotitas, solo se pudieron
colocar 5 pelotitas de plastilina, esto viene a concluir que esa era la capacidad de peso que podía resistir el barquito de plastilina.
Cuestionario
1. Calcule el empuje hidrostático (E ) utilizando la ecuación Para nuez doble.
Para Pieza de ranura.
75
5 5
5
5 5
5 75
5 5 5
2. Calculo del empuje hidrostático utilizando el otro método Para nuez doble. 9 3 9−6 3 3
3
(3
2
)( 9 9−6 3 )(98 3
Para pieza de ranura 5 3 5−6 3 3
3
(3
2
)( 5 5−6 3 )(98 3
3. Compare los resultados obtenidos del empuje hidrostático utilizando los dos métodos que puede concluir.
Que los dos métodos tienes resultados considerables siempre y cuando se estén realizando las medidas correctamente tomando en cuenta cada uno de los valores de los materiales utilizados, es nuestro caso dos resultados no dieron respuestas iguales por el motivo de la toma de datos no se haya efectuado correctamente, pero los resultados se acercan. Además para nuestro criterio el que tiene la respuesta más exacta es la ecuación completa en donde se toma en cuenta la densidad del líquido, el volumen desalojado y la fuerza de gravedad.
4. ¿Qué efecto produce el empuje hidrostático sobre un cuerpo sumergido? El empuje hidrostático es una fuerza que aparece sobre un cuerpo sumergido en un líquido cuyo volumen es igual al líquido desalojado, la fuerza actúa de abajo hacia arriba. Entonces el efecto es el de aparentar una quita de peso, si el peso del cuerpo es superior al del empuje, siendo dos fuerzas opuestas, la fuerza neta, a veces llamada peso aparente, es la resultante con sentido hacia abajo, el cuerpo se hunde pero no tan rápido como si no existiera el empuje. Si el peso es igual al empuje, el efecto es provocar la flotación del cuerpo. Si el peso es inferior al empuje la fuerza neta hacia arriba lleva al cuerpo hasta la superficie hasta que se igualan el peso y el empuje quedando en flotación estable.
5. Depende la flotabilidad de los cuerpos de su volumen. Explique Si depende del volumen total pero este va relacionado con la densidad del cuerpo y otras características del mismo, es así como para entender que la flotación depende de la forma del objeto. Si se deja caer pelotitas de plastilina en el agua se hunde al fondo porque la plastilina es más densa que el agua. Sin embargo, se la puede hacer flotar cambiando su forma para aumentar su volumen.
6. ¿Por qué la bola de plastilina se hunde, y el barquito, del mismo material y la misma masa no se hunde? Explique.
El barquito de plastilina flota porque tiene mayor volumen y por consiguiente desalojan mucha agua, recibiendo un empuje hacia arriba suficiente para mantenerlo a flote. Al ir añadiendo bolitas de plastilina, aun manteniendo el tamaño del barquito, pesa más, es decir, tiene una densidad mayor. Mientras el agua desalojada tenga un peso mayor que el barquito con las bolitas, este último permanecerá a flote aunque se sumerja cada vez más; cuando el peso del barquito con las bolitas de plastilina supero al del agua desalojada, el barquito se hundió. Para dar una explicación clara podemos decir un cuerpo más denso que un fluido dado, no puede flotar en dicho fluido. Así que, para que un barco flote, es necesario que la densidad del barco sea menor que la del agua, y en efecto lo es porque aunque el barco esté hecho de hierro, hemos de tener en cuenta su volumen total, el cual contiene mucha cantidad de aire, de modo que todo el barco resulta menos denso que el agua del océano.
Conclusiones
Se concluye que la densidad es una característica de cualquier sustancia liquida y sólida, con la cual se pudo probar experimental el principio de Arquímedes respecto a la fuerza de empuje que ejerce un líquido sobre un cuerpo sumergido en él. Se pudo desarrollar un concepto más claro, avanzado y específico del que se tenía con base en los fundamentos teóricos, partiendo de la práctica realizada. Se asimiló y comprendió el uso correcto de los diferentes implementos dados para la práctica, aplicando este conocimiento para futuras ocasiones. Se analizaron los diferentes resultados obtenidos en la práctica efectuada, partiendo así, hacia una adecuada comprensión del principio de Arquímedes. Experimentalmente se puede comprobar que la fuerza de flotación no depende del material del que está hecho el objeto sumergido, sino de las presiones hidrostáticas que ejerce el fluido sobre el volumen de dicho objeto. Es por ello que podemos sustituirlo por el fluido circundante con su misma forma y volumen. Esta cantidad de fluido experimentará el mismo estado de presiones que el cuerpo. Cuando un cuerpo se apoya o se sumerge en un líquido (o en un fluido) recibe de éste una fuerza vertical de abajo hacia arriba llamada empuje (E). El empuje puede ser mayor, menor o igual al peso del cuerpo; no depende del peso del cuerpo, los objetos a veces pueden flotar en determinados líquidos, y hundirse en otros. Esto depende de la densidad del líquido: a mayor densidad, mayor es el empuje que ejerce sobre el objeto, y por lo tanto más difícil será hundirlo. Por ejemplo, el aceite, que es más pesado que el agua, y por lo tanto menos denso, hace que sea más difícil hundir un objeto en él que hacerlo en agua
Recomendaciones
Armar correctamente el equipo antes de tomar las mediciones, para un correcto cálculo de las mismas.
Verificar que el vaso de expansión este justo al borde, para que la medición sea más exacta.
Verificar cual es la escala del dinamómetro, y si esta es suficiente para utilizarlo en la medición del objeto.
Al proceder a medir el peso real (Wr), observar que el objeto se encuentre suspendido por completo en el aire.
Al Proceder a medir el peso aparente (Wa) el objeto a medir, se encuentre completamente sumergido en el agua.
