CAPÍTULO CAPÍT ULO 0
Í NDICE GENERAL RAL CAPITULO
1 INTRODUCCIÓN
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2 OBJETIVOS 2.1 2.2
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OBJETIVOS GENERALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
ASPECTO TEÓRICO 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
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VOLUMEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 MASA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 PESO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 DENSIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 LA PRESIÓN EN LOS FLUIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 PRINCIPIO DE ARQUIMEDE ARQUIMEDES S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 MATERIALES MA TERIALES E INSTRUMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.7.1 DINAMÓMETRO . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . 7 3.7.1 DINAMÓMETRO 3.7.2 VASO 3.7.2 VASO DE PRECIPITADO . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . 7 3.7.3 BALANZA 3.7.3 BALANZA . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . 8
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PROCEDIMI ENTO EXPERI MENTAL
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4.0.4 RESULTADO DE LAS MEDIDAS . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . 9 4.0.4 RESULTADO 4.0.5 EVALUACIÓN 4.0.5 EVALUACIÓN . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . 9 4.1 EJERCICIO COMPLEMENTARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
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INTRODUCCIÓN
Por lo general, la materia se clasifica perteneciente a uno de tres estados: sólido, líquido o gas. Por la experiencia cotidiana se sabe que un sólido tiene un volumen y forma definidos, un líquido tiene un volumen definido mas no forma definida, y un gas no confinado no tiene ni volumen definido ni forma definida. Dichas descripciones ayudan a representar los estados de la materia, pero son un poco artificiales. Por ejemplo, el asfalto y los plásticos normalmente se consideran sólidos, pero durante intervalos de tiempo prolongados tienden a fluir como líquidos. Del mismo modo, la mayoría de la sustancias pueden ser sólido, líquido o gas (o una combinación de cualquiera de estos tres), dependiendo de la temperatura y la presión. En general, el intervalo de tiempo requerido para que una sustancia particular cambie su forma en respuesta a una fuerza externa determina si se trata la sustancia como sólido, líquido o gas. Un fluido es un conjunto de moléculas que se ordenan aleatoriamente y se mantienen juntas a partir de fuerzas cohesivas débiles y fuerzas que ejercen las paredes de un contenedor. Tanto líquidos como gases son fluidos.1
1 Raymond A. Serway y John W. Jewett .2015. Física para ciencias e ingeniería.Novena edición.México.Cengage Lear-
ning Editores
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OBJETIVOS
2.1 OBJETIVOS GENERALES 1. Conocer las propiedades básicas de los fluidos. 2. Conocer y comprender la naturaleza de la presión sus formas de transferencia y la ley que fundamenta. 3. Analizar e interpretar los enfoques del principio de Arquimedes en casos de variados de flotación.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Determinar el empuje sobre sólidos por la diferencia de su fuerza, peso en el aire y en el agua. 2. Calcular la densidad del sólido a partir del empuje y del volumen de agua desalojado. 3. determinar la diferencia de la fuerza hidrostatica con la presión hidrostatica. 4. Analizar los efectos de las fuerzas hidrostaticas sobre las superficies de contacto con líquidos en reposo.1
1 Instituto
de ciencias y humanidaes.Asociación Fondo de investigaciones y Editores.2008.Física, una visión analítica del movimiento. Volumen II.Lima-Peru.Lumbreras Editores
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3.1 VOLUMEN El volumen es una magnitud métrica de tipo escalar definida como la extensión en tres dimensiones de una región del espacio. Es una magnitud derivada de la longitud, ya que se halla multiplicando la longitud, el ancho y la altura. Matemáticamente el volumen es definible no sólo en cualquier espacio euclidiano, sino también en otro tipo de espacios métricos que incluyen por ejemplo a las variedades de Riemann. Desde un punto de vista físico, los cuerpos materiales ocupan un volumen por el hecho de ser extensos, fenómeno que se debe al principio de exclusión de Pauli. La unidad de medida de volumen en el Sistema Internacional de Unidades es el metro cúbico. Para medir la capacidad se utiliza el litro. Por razones históricas, existen unidades separadas para ambas, sin embargo están relacionadas por la equivalencia entre el litro y eldecímetro cúbico: 1dm 3 = 1litro = 0, 001m3 = 1000cm3 .
3.2 MASA En física, la masa es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. Es una propiedad extrínseca de los cuerpos que determina la medida de la masa inercial y de la masa gravitacional. La unidad utilizada para medir la masa en el Sistema es el kilogramo (kg). Es una magnitud escalar. No debe confundirse con el peso, que es una magnitud vectorial que representa una fuerza cuya unidad utilizada en el Sistema Internacional de Unidades es el newton (N).
3.3 PESO En física clásica, el peso es una medida de la fuerza gravitatoria que actúa sobre un objeto. El peso equivale a la fuerza que ejerce un cuerpo sobre un punto de apoyo, originada por la acción del campo gravitatorio local sobre la masa del cuerpo. Por ser una fuerza, el peso se representa como un vector, definido por su módulo, dirección y sentido, aplicado en el centro de gravedad del cuerpo y dirigido aproximadamente hacia el centro de la Tierra. Por extensión de esta definición, también podemos referirnos al peso de un cuerpo en cualquier otro astro (Luna, Marte,...) en cuyas proximidades se encuentre. La magnitud del peso de un objeto, desde la definición operacional de peso, depende tan solo de la intensidad del campo gravitatorio local y de la masa del cuerpo, en un sentido estricto. Sin embargo, desde un punto de vista legal y práctico, se establece que el peso, cuando el sistema de referencia es la Tierra, comprende no solo la fuerza gravitatoria local, sino también la fuerza centrífuga local debido a la rotación de la Tierra; por el contrario, el empuje atmosférico no se incluye, ni ninguna otra fuerza externa.
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ASPECTO TEÓRICO
3.4 DENSIDAD Una propiedad importante de cualquier material es su densidad, que se define como su masa por unidad de volumen. Un material homogéneo, como el hielo o el hierro, tiene la misma densidad en todas sus partes. Usamos la letra griega (rho) para denotar la densidad. Si una masa m de material homogéneo tiene un volumen V, la densidad r es: ρ =
m v
Dos objetos hechos del mismo material tienen igual densidad aunque tengan masas y volúmenes diferentes. Eso se debe a que la razón entre masa y volumen es la misma para ambos objetos. La unidad de densidad en SI será kg/m3 pero se usa generalmente densidades en g/cm3, 1 g/cm3 =1000 kg/m3.
3.5 LA PRESIÓN EN LOS FLUIDOS El concepto de presión es muy general y por ello puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una superficie. Sin embargo, su empleo resulta especialmente útil cuando el cuerpo o sistema sobre el que se ejercen las fuerzas es deformable. Los fluidos no tienen forma propia y constituyen el principal ejemplo de aquellos casos en los que es más adecuado utilizar el concepto de presión que el de fuerza. Cuando un fluido está contenido en un recipiente, ejerce una fuerza sobre sus paredes y, por tanto, puede hablarse también de presión. Si el fluido está en equilibrio las fuerzas sobre las paredes son perpendiculares a cada porción de superficie del recipiente, ya que de no serlo existirían componentes paralelas que provocarían el desplazamiento de la masa de fluido en contra de la hipótesis de equilibrio. La orientación de la superficie determina la dirección de la fuerza de presión, por lo que el cociente de ambas, que es precisamente la presión, resulta independiente de la dirección; se trata entonces de una magnitud escalar. La presión se designa con la letra P, y se define como la fuerza de compresión por unidad de área perpendicular a la fuerza. P =
Fuerza normal sobre en area area sobre la que se distribuye la f uerza
Figura 3.5.1: Presión
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ASPECTO TEÓRICO
3.6 PRINCIPIO DE ARQUIMEDES El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en Newton (en el SI). El principio de Arquímedes se formula así: E = mg = ρ l gV
O bien: E = −mg = −ρl gV
Donde E es el empuje,rho es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa. De este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales y descritas de modo simplificado) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del cuerpo. Si pesamos un objeto pesado sumergido en agua suspendiéndolo en un dinamometro, el peso aparente del objeto(la lectura del del dinamometro) es inferior al peso del objeto. Esto es asi porque el agua ejerce una fuerza acia arriba que equilibra parcialmente la fuerza de gravedad. esta fuerza es aun mas evidente cunado sumergimos un trozo de corcho. Cuando esta completamente sumergido, experimenta una fuerza hacia arriba ejercida por la presión por el agua , que es mayor que la fuerza de la gravedad de manera que el corcho acelera hacia la superficie, en donde flota parcialmente sumergido. la fuerza ejercida por un fluido sobre un cuerpo sumergido en el se denomina fuerza ascesoncial(o de flotación o de empuje.Es igual al modulo al peso del fluido desplazado por el cuerpo.1
Figura 3.6.2: Empuje
1 Tipler.Fisica. Vol I
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ASPECTO TEÓRICO
3.7 MATERIALES E INSTRUMENTOS 3.7.1 DINAMÓMETRO El dinamómetro es un instrumento utilizado para medir fuerzas o para pesar objetos. El dinamómetro tradicional, inventado por Isaac Newton, basa su funcionamiento en el estiramiento de un resorte que sigue la ley de elasticidad de Hooke en el rango de medición. Estos instrumentos constan de un muelle, generalmente contenido en un cilindro que a su vez puede estar introducido en otro cilindro. El dispositivo tiene dos ganchos o anillas, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan marcada una escala en el cilindro hueco que rodea el muelle. Al colgar pesos o ejercer una fuerza sobre el gancho exterior, el cursor de ese extremo se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza.
Figura 3.7.3: Dinamometro
3.7.2 VASO DE PRECIPITADO Un vaso de precipitado es un recipiente cilíndrico de vidrio borosilicatado fino que se utiliza muy comúnmente en el laboratorio, sobre todo, para preparar o calentar sustancias y traspasar líquidos. Son cilíndricos con un fondo plano; se les encuentra de varias capacidades, desde 1 ml hasta de varios litros. Normalmente son de vidrio, de metal o de un plástico en especial y son aquéllos cuyo objetivo es contener gases o líquidos. Tienen componentes de teflón u otros materiales resistentes a la corrosión. Suelen estar graduados, pero esta graduación es inexacta por la misma naturaleza del artefacto; su forma regular facilita que pequeñas variaciones en la temperatura o incluso en el vertido pasen desapercibidas en la graduación. Es recomendable no utilizarlo para medir volúmenes de sustancias, ya que es un material que se somete a cambios bruscos de temperatura, lo que lo descalibra y en consecuencia nos entrega una medida errónea.
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ASPECTO TEÓRICO
Figura 3.7.4: Vaso precipitado
3.7.3 BALANZA La balanza es un instrumento que sirve para medir la masa de los objetos. Es una palanca de primer grado de brazos iguales que, mediante el establecimiento de una situación de equilibrio entre los pesos de dos cuerpos, permite comparar masas. Para realizar las mediciones se utilizan patrones de masa cuyo grado de exactitud depende de la precisión del instrumento. Al igual que en una romana, pero a diferencia de una báscula o un dinamómetro, los resultados de las mediciones no varían con la magnitud de lagravedad. El rango de medida y precisión de una balanza puede variar desde varios kilogramos (con precisión de gramos), en balanzas industriales y comerciales; hasta unos gramos (con precisión de miligramos) en balanzas de laboratorio. Figura 3.7.5: balanza
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
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4.0.4 RESULTADO DE LAS MEDIDAS M O = 17,35g(masa del recipiente)
masa W del aire W agua M(g) Fgl(N) Fgw(N) 50 0.68 0.58 120 1.18 0.99 170 1.67 1.42
Empuje Vol + vaso FA(N) m1(g) 0.1 25.72 0.19 33.52 0.25 41.2
masa desalojada del agua empuje mw(g) fw(N) 5.6 0.0821 17.52 0.159 26.62 0.234
Fgl(N) Fgw(N) Fgl(N)-Fgw(N) = FA(N) 0.68 0.58 0.1 1.18 0.99 0.19 1.67 1.42 0.25 vol + vaso m1(g) 25.72 33.52 41.2
masa vaso m vaso 17.35 17.35 17.35
mw(g)/1000 gravedad 0.00837 kg 9.81 0.01617 kg 9.81 0.02385 kg 9.81
masa del agua desalojada m1 - m vaso = mw(g) 8.37 16.17 23.85
Empuje (mw(g)/1000)(gravedad)=fw(N) 0.0821 0.159 0.234
4.0.5 EVALUACIÓN 1. Halle la diferencia de la fuerza por peso de las masas de aire y en el agua, y anota los resultados en FA, en la parte izquierda de la tabla. 2. Calcule el volumen de agua desalojada, por la diferencia m1 − m0 = mw y a partir de esta diferencia, con g = 9,81m/s2 , la fuerza F w. Complete con los resultados la parte derecha de la tabla. 3. La fuerza de FA se denomina Empuje. Es evidente que se puede determinar por dos métodos. Describe estas dos posibilidades con tus propias palabras:
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
PARTE EXPERIMENTAL 1: SE OBTIENE A PARTIR de la diferencia entre el peso del objeto en el aire y el peso del objeto sumergida en el agua sosteniéndola por medio de un dinamómetro obteniéndose el empuje.
SE OBTIENE A PARTIR de la diferencia entre el peso del objeto en el aire y el peso del objeto sumergida en el agua sosteniéndola por medio de un dinamómetro obteniéndose el empuje. PARTE EXPERIMENTAL 2: El objeto se sumerge en un recipiente conteniendo agua hasta el ras, este rebalsa en un recipiente luego se pesa el líquido desalojado y se le resta el peso del recipiente, a este resultado se le convierte a kilogramos y se le multiplica por la gravedad obteniéndose el empuje.
4. ¿Qué efecto produce el empuje sobre un cuerpo sumergido? Cuando un objeto se encuentra sumergido o parcialmente sumergido en un fluido, el líquido presiona sobre el objeto. Aparecen entonces fuerzas perpendiculares a la superficie del objeto y como la presión ejerce con la profundidad, la parte inferior del objeto recibe más fuerza que la parte superior. El resultado de todas estas fuerzas es una vertical, dirigida hacia arriba denominada EMPUJE. 5. Expresa con fórmulas los dos métodos para determinar el empuje FA : Diferencia entre el peso del objeto en el aire y el peso del objeto sumergida en el agua . Fgl ( N ) − Fgw( N ) = FA( N )
Masa del líquido sumergible, convertirlo a kilogramos y multiplicarlo por la gravedad mw(g)/1000)(gravedad ) = f w( N )
4.1 EJERCICIO COMPLEMENTARIO 1. ¿Cuándo flota un cuerpo, y cuando se hunde? SE HUNDE: Si la densidad del cuerpo es mayor que la del fluido, el cuerpo tiene un peso mayor al peso del fluido que desaloja, y entonces se hunde hasta llegar al fondo.
Figura 4.1.1: Esfera sumergida en agua
CAPÍTULO 4
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
F g > E →
mg > ρ l gV p.s
> ρ l gV p.s ; pero; V es f = V p.s ∴ ρc > ρ l
→
ρes f
Si un cuerpo tiene mayor densidad que el fluido donde se sumerge entonces queda completamete sumergido.Demostraremos lo mencionado. FLOTA: Si la densidad del cuerpo es menor que la del fluido, el cuerpo tiene un peso menor al peso del fluido que desaloja, entonces el cuerpo sube hasta la superficie y flota semisumergido.
Figura 4.1.2: Esfera parcialmete sumergida
F g < E →
mg < ρ l gV p.s
< ρ l gV p.s ; pero; V es f = V p.s ∴ ρc < ρ l
→
ρes f
CASO ADICIONAL Hay situaciones donde el cuerpo se puede quedar flotando en el seno de un liquido, y se verifica que: 1
Figura 4.1.3: Caso adicional 1 Instituto
de ciencias y humanidaes.Asociación Fondo de investigaciones y Editores.2008.Física, una visión analítica del movimiento. Volumen II.Lima-Peru.Lumbreras Editores
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
E = F f g del resultado anterior : ρc = ρ l
2. Expresarlo con fórmulas: ρ (cuerpo) > ρ ( f luid o) ρ (cuerpo) < ρ ( f luid o)
3. ¿Un cubo de hielo se coloca en un vaso con agua. ¿Qué sucede con el nivel del agua cuando se funde el hielo? Sencillamente el nivel del vaso de agua sube de volumen 4. Como puede aplastar una lata encerrada con aire? Explique cómo: Si se puede, ejerciendo una presión superior a la presión del aire contenido en la lata hasta un punto en la que la lata colapse. 5. ¿Por qué es necesario hacer dos orificios a una lata de leche para que la leche salga con facilidad? Es necesario la apertura de los dos agujeros para que entre el aire y no se forme un vacío que impida el flujo del líquido, ejemplo: un tubo con agua, para que pueda salir el líquido debe estar destapado por los dos extremos porque si se acumula todo en un solo lado impide la entrada de aire y se impide a su vez la sustitución de una masa que sustituya el espacio a formarse.
