INFORME 4 fisica

Universidad Nacional Tecnológica de Lima Sur

EXPERIMENTO 04: HIDROSTATICA

OBJETIVOS:



Evaluar experimentalmente la paradoja hidrostática.



Evaluar la variación de la presión con la profundidad en un líquido.



Estudiar el principio de Arquímedes.

FUNDAMENTO TEORICO

Presión: fuerza normal por unidad de área aplicada sobre una superficie.



 

Presión Hidrostática: presión debida al peso de un fluido en reposo sin considerar la presión atmosférica. Es la presión que sufren los cuerpos sumergidos en un líquido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este. Se define por la fórmula:

   Presión atmosférica: presión ejercida sobre la superficie terrestre por la masa de aire que se encuentra sobre la tierra.

Paradoja Hidrostática: La presión en un fluido estático al mismo nivel (a la misma altura) es siempre la misma.

Figura 1.

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Manómetro: Instrumento que consta de un tubo en forma de U, utilizado para medir cambios de presión en un fluidos.

Variación de la presión con la profundidad: la presión entre dos puntos de un fluido separados por una profundidad h se relacionan por:

p2



p1   gh

Principio de Arquímedes: Todo fluido en reposo ejerce una fuerza ascensional llamada empuje hidrostático sobre cualquier cuerpo sumergido en ella, que es igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo.

E   L g VL MATERIALES

Un soporte Universal

Dos Campanas de vidrio

Vaso de Precipitado (250 ml,

Bola y tapón de goma

100 ml)

Tubo de vidrio recto (8 cm y 25

Barra (Fe, Al, madera)

cm)

Platillo con pesas (150 g)

Juego de sondas para presión

Dos Nuez doble

hidrostática

Dinamómetro (2N)

Soporte de tubos

Cinta métrica (2 m)

Tubo de silicona

Barra metálica y soporte de

Vaso de expansión

dinamómetro

Jeringa de 20 ml

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PROCEDIMIENTO Parte I 1. Instalar el equipo, llena las dos campanas hasta la mitad y observe el nivel de agua en las dos campanas.

2. Luego quita una de las campanas, y colóquela en diferentes posiciones observando en cada caso los niveles de agua en las campanas

3. Reemplace una de las campanas con un tubito de vidrio y observe los niveles de agua.

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Parte II

4. Instale el manómetro en U, llene agua hasta que los do s tubos estén llenos hasta la mitad, conecte uno de los extremos del manómetro por medio un tubo de silicona a una de las sondas para medir la presión hidrostática, luego ponga agua en el vaso de precipitados y sumerja la sonda.

5. Utilice la sonda en forma de gancho para medir la presión hacia abajo, la sonda en ángulo recto para medir la presión hacia los lados y para la presión hacia arriba la sonda recta (en todos los casos sumerja la sonda 5 cm y realice las medidas 3 veces). Anote sus datos en la tabla 1.

6. Para evaluar la variación de la presión con la profundidad, sumerja la sonda recta de 10 cm en 10 cm, anote la profundidad h y la presión absoluta p en la tabla 2.

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Parte III

7. Principio de Arquímedes, llene aproximadamente ¾ del vaso de precipitados con agua,

cuidadosamente coloque la barra de aluminio, madera, la unión

plástica, tapón de goma y la bola de goma y observe cuales flotan y cuales se hunden.

8. Llene con agua el vaso de expansión, justo hasta que rebose sobre el vaso de precipitados, espere hasta que deje de gotear, seque con cuidado el vaso de precipitados y mida la masa m 0 del vaso de precipitados. 9. Determine con el dinamómetro el peso en el aire de las masas de 50,100 y 150 g, luego sumerja completamente cada masa y usando un dinamómetro, mida el peso en el agua de las masas y mida también la masa del agua desplazada.

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REPORTE DE LABORATORIO

1. De acuerdo a la parte I del Procedimiento:

¿Qué ocurre con los niveles de agua en los pasos 1 y 2? Explique.

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¿Qué ocurre con los niveles de agua cuando se cambia una de las campanas por el tubo? Explique.

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2. De acuerdo a la parte II del procedimiento.

Tabla 1.

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manómetro

∆lprom (cm)

∆l (cm)

pH (Pa)

Hacia abajo Hacia arriba Sobre los lados

A la misma profundidad, ¿difieren las presiones hacia abajo, hacia arriba y hacia los lados? Explique.

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Tabla 2.

1

2

3

4

5

6

7

h (cm) p (Pa)

Con los datos de la tabla 2. Construya una grafica de P en función de h, y realice el ajuste de curvas correspondiente

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Explique qué representa la constante del ajuste de curvas. ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………...

Explique que representa la pendiente del ajuste de curvas. ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... FISICA II

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3. De la parte III del procedimiento: De acuerdo al paso 7 del procedimiento de que cantidades físicas depende la flotabilidad de los cuerpos. Explique.

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Con los datos de los pasos 8 y 9 del procedimiento complete la siguiente tabla Tabla 3

Masa (g)

Peso (N)

Peso aparente

Empuje (N)

(N)

Peso de agua desplazada (N)

50 100 150

Explique cómo calculó el peso de agua desplazada. ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………...

Compare los resultados obtenidos para el empuje y el peso de agua desplazada en cada caso. Explique sus resultados. ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………... FISICA II

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1. Explique detalladamente el funcionamiento de un submarino. Los submarinos están pensados para descender a grandes profundidades. Para ello, deben ser capaces de sumergirse, de emerger y de flotar en la superficie. Todo esto lo consiguen alterando su peso, gracias a un sistema de tanques con el que pueden almacenar tanto aire como agua. Para emerger utilizan el aire comprimido, expulsando agua de los tanques de lastre, a través de unas válvulas. Cuando el submarino llega a la superficie, los tanques de lastre se vacían por completo. Para la inmersión, el agua entra por las válvulas inferiores y el aire va saliendo por las superiores. La posición de equilibrio se consigue gracias a los timones de inmersión, que están situados de popa a proa. El término «submarino» comprende una amplia gama de tipos de buque, yendo desde los pequeños para dos personas, que sirven para examinar el fondo del mar unas pocas horas, hasta los nucleares, que pueden permanecer sumergidos durante año y medio y portar misiles nucleares capaces de destruir varias ciudades. Hay también submarinos especializados, como los de rescate submarino (como los DSRV o de clase Priz). Estas naves de gran valor estratégico en el terreno militar, en el terreno científico, los submarinos nos han permitido conocer y explorar los lugares más profundos del mar. Las primeras ideas sobre submarinos fueron planeadas en 1515 por Leonardo da Vinci y en 1578 por William Borne, un artillero retirado de la marina real inglesa. Sus ideas no pasaron del papel y nadie construyo nunca un prototipo. Quien en el año de 1620 logro construir el primer submarino funcional fue Cornelius van Drebbel, un médico holandés radico en Londres. Su diseño consistía en un bote de remos cubierto por una capa de cuero engrasado. Los remeros respiraban mediante tubos que salían hasta la superficie del agua. Increíblemente, logro sumergirse en las aguas del rio Támesis a una profundidad de cinco metros y permanecer así durante varias horas. Respecto de la tecnología de los submarinos, hay dos aspectos fundamentales relacionados con las fuerzas que actúan sobre ellos: El actuar de la presión del agua sobre el casco de estas naves   El lograr que se sumerjan o emerjan a voluntad Ambos aspectos están relacionados con el concepto de fuerza, pero en los dos cascos todas las fuerzas que actúan están prácticamente en equilibrio. Los objetos que al ser sumergidos desplazan un volumen de líquido que pesa más que ellos flotan. Lo que desplazan un volumen de agua cuyo peso es menor que el del objeto se hunden. De aquí te podrás de que los objetos que tiene un volumen grande y que a la vez pesan poco, flotan en el agua, es decir, que al principio de flotación está relacionado con la densidad: los objetos de menor densidad que el líquido que los contiene flotan, y en caso contrario se hunde. Ejemplo de estos objetos son los FISICA II

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chalecos salvavidas, las tablas para surfear, las boyas y las burbujas de aire. Esto es parte de lo que necesitamos saber para diseñar una nave que flote o se hunda a voluntad. La idea no es original; los peces la usan.

2. Explique las condiciones que deben tenerse en cuenta para mantener un barco flotando en equilibrio estable (un barco que se inclina ligeramente de su posición de equilibrio vuelva a su posición de equilibrio). La estabilidad transversal de un barco depende de la posición (altura) de su centro de gravedad por encima de la quilla.

Un barco tiene equilibrio transversal estable cuando su centro de gravedad (G) está por debajo de otro punto que se llama Metacentro (M). La distancia GM se llama "ALTURA METACENTRICA" y se dice que es positiva cuando G está por debajo de M. Es decir que la estabilidad transversal de un barco se conoce por la medida de su ALTURA METACENTRICA. Por ejemplo, un carguero bulk carrier tipo Panamax, cargado, puede tener un GM = 3 metros. El problema es cuando el buque está vacío; entonces se necesita lastrar los tanques bajos (doble fondos) para lograr bajar su centro de gravedad. En un Panamax vacío también generalmente se precisa lastrar con agua una bodega para lograr una buena estabilidad cuando debe navegar vacío. La Organización Marítima Internacional (OMI) exige, entre muchos otros criterios de estabilidad, que un buque debe tener como mínimo un GM = 0,15 metros, y si transporta granos a granel 0,30 metros. Esto que te cuento comprende lo que se llama ESTABILIDAD ESTATICA, pero en un barco también hay que considerar la ESTABILIDAD DINAMICA.

Si no tenes nociones básicas de Arquitectura Naval, entonces te puede bastar con considerar que, cuanto más bajo el centro de gravedad del barco, mayor estabilidad. Sin embargo, la realidad es que hay que lograr una altura óptima de G, porque si está demasiado bajo, entonces se dice que el barco es muy "duro", y la vida a bordo se hace bastante difícil.

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Para conocer la estabilidad del barco, el Primer Oficial (encargado de la estabilidad a bordo) debe calcular la altura del centro de gravedad sobre la quilla. Hasta hace poco tiempo ese era un cálculo manual bastante complicado, extenso y engorroso, pero en la actualidad los grandes barcos de carga tienen computadoras de cargamento que calculan la estabilidad en forma automática, una vez que se programa la distribución de la carga. A pesar de las computadoras, un 1er. Oficial debe tener sólidos conocimientos de estabilidad y arquitectura naval para asegurar una buena estabilidad y la seguridad del barco.

3. Explique la aplicación del principio de Arquímedes para determinar la densidad de cuerpos de forma arbitraria. Cuando un cuerpo de masa m, volumen Vc y densidad d;c = m/Vc y forma arbitraria, se sumerge totalmente en un líquido de densidad P el contenido en un recipiente desplazara un volumen V de este líquido igual al volumen del cuerpo sumergido V=Vc. El cuerpo sumergido experimentara una disminución aparentemente de su peso (W") cuyo valor se registrara en el dinamómetro (balanza). se cumple:

W" = W - E luego, E = W - W" E es el empuje ;

….. (1)

W es el peso del cuerpo ; W" es el peso aparente del cuerpo

En virtud del principio de Arquímedes "la magnitud del empuje sobre el cuerpo es igual al peso del liquido desalojado por el mismo".Se tiene:

E = mL g = d Vg

…. (2)

d es la densidad del líquido ; V es el volumen del líquido desalojado mL es la masa del líquido desalojado ; g es la aceleración de la gravedad Igualando (1) y (2):

d V g = W-W"

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….. (3)

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pero

V = Vc = m / dC

…. (4)

Vc es el volumen del cuerpo ; m es la masa del cuerpo ; C es la densidad del cuerpo Reemplazando (4) en (3) y despejando C

Con esta ecuación se puede calcular tanto la densidad del cuerpo, como también inferir si el cuerpo flotara o se hundirá.

CONCLUSIONES

Mediante el método experimental se ha podido determinar que la tensión (T) d e uncuerpo sostenido en dicho cable no es proporcional al peso; sino a la sumatoria detodas las fuerzas que existen como: el empuje del agua (B) + el peso (W). En el equilibrio: ∑ F=0 B + (-W) + T = 0T = W - B Los líquidos varían en su comportamiento según sea su composición y dependiendo dela ubicación (altitud) en donde estén. La Fuerza de flotación es proporcional a la densidad del fluido, no a la densidad del objeto. Cuanto, mas denso es el fluido, mayor será la fuerza de flotación y menor será la tensión en el cable. Basados en el Principio de Arquímedes, vemos que se puede calcular la densidad de un objeto, entre otras magnitudes, sólo utilizando sus fuerzas. Esta clase de experimentos hecho en el laboratorio presentan mayor veracidad si son llevados a cabo para objetos de densidad mayor que la del fluido donde serán sumergidos, de lo contrario no se garantiza una efectividad que caracterice a un buen experimento.

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