Principio de Arquímedes

Física. Mecánica de fluidos. Flotación. Fuerza de empuje. Biografía

  • Enviado por: Catarsia
  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
  • 12 páginas
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FISICA

MÁQUINA HIDRÁULICA

PRENSA HIDRÁULICA

“PRINCIPIO

DE ARQUÍMEDES”

`FLOTACIÓN'

Alumno:

Profesor:

INDICE

RESUMEN 3

OBJETIVOS 3

INTRODUCCIÓN 3

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES 4

DEFINICIÓN: FLOTACIÓN O FUERZA DE EMPUJE 7

APLICACIONES 7

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES PERSONALES 8

APÉNDICE 8

Biografía: Arquímedes (Siracusa: 287 - 212 a.C.) 8

BIBLIOGRAFÍA 12

RESUMEN

El presente trabajo explica el concepto de flotación, tratado por el Principio de Arquímedes. Para ello se entregan datos históricos, principios de funcionamiento, aplicaciones, comentarios personales y conclusiones, bibliografía consultada y un pequeño apéndice donde se puede encontrar una pequeña biografía de este genio.

OBJETIVOS

  • Averiguar, conocer y aprender sobre el Principio de Arquímedes

  • Definir el concepto de Flotación

  • Describir aplicaciones que involucren flotación.

INTRODUCCIÓN

En la naturaleza encontramos una serie de fenómenos que suceden a diario y que en algunas ocasiones pasan desapercibidos para nuestros ojos. Él poder comprender de manera más amplia estos fenómenos nos ayuda a entender mejor como se comportan algunas fuerzas que entran en acción bajo ciertas circunstancias.

Si bien el concepto de flotar está muy arraigado en nuestro vocabulario, la comprensión de éste como fenómeno físico comprende una serie de estudios, los cuales podemos ver en el Principio de Arquímedes.

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; su peso total es exactamente igual al peso del agua que desplaza, y ese agua desplazada ejerce la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.

El principio de Arquímedes permite determinar también la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en aire y luego en agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto (masa dividida por volumen). Si se requiere una precisión muy elevada, también hay que tener en cuenta el peso del aire desplazado para obtener el volumen y la densidad correctos.

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

Establece que cuando un objeto se sumerge total o parcialmente en un líquido, éste experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del líquido desalojado. La mayoría de las veces se aplica al comportamiento de los objetos en agua, y explica por qué los objetos flotan y se hunden y por qué parecen ser más ligeros en este medio.

El concepto clave de este principio es el `empuje', que es la fuerza que actúa hacia arriba reduciendo el peso aparente del objeto cuando éste se encuentra en el agua.

Por ejemplo, si un bloque metálico que posee un volumen de 100 cm3 se hunde en agua, desplazará un volumen similar de agua cuyo peso aproximado es 1 N. Por tanto, el bloque parecerá que pesa 1 N menos.

Un objeto flota si su densidad media es menor que la densidad del agua. Si éste se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza (y, por tanto, el empuje) es mayor que su propio peso, y el objeto es impulsado hacia arriba y hacia fuera del agua hasta que el peso del agua desplazada por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante. Así, un bloque de madera cuya densidad sea 1/6 de la del agua, flotará con 1/6 de su volumen sumergido dentro del agua, ya que en este punto el peso del fluido desplazado es igual al peso del bloque.

Por el principio de Arquímedes, los barcos flotan más bajos en el agua cuando están muy cargados (ya que se necesita desplazar mayor cantidad de agua para generar el empuje necesario).

Además, si van a navegar en agua dulce no se pueden cargar tanto como si van a navegar en agua salada, ya que el agua dulce es menos densa que el agua de mar y, por tanto, se necesita desplazar un volumen de agua mayor para obtener el empuje necesario. Esto implica que el barco se hunda más.

Al sumergirse parcial o totalmente en un fluido, un objeto es sometido a una fuerza hacia arriba, o empuje. El empuje es igual al peso del fluido desplazado. Esta ley se denomina principio de Arquímedes, por el científico griego que la descubrió en el siglo III antes de nuestra era. Aquí se ilustra el principio en el caso de un bloque de aluminio y uno de madera. (1) El peso aparente de un bloque de aluminio sumergido en agua se ve reducido en una cantidad igual al peso del agua desplazada. (2) Si un bloque de madera está completamente sumergido en agua, el empuje es mayor que el peso de la madera (esto se debe a que la madera es menos densa que el agua, por lo que el peso de la madera es menor que el peso del mismo volumen de agua). Por tanto, el bloque asciende y emerge del agua parcialmente —desplazando así menos agua— hasta que el empuje iguala exactamente el peso del bloque.

La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en las figuras:

El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.

La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.

Porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.

Consideremos, en primer lugar, las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a p·dS, donde p solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie.

Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje.

De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto, se cumple

Empuje=peso=rf·gV

El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido rf  por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.

Se sustituye la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.

Si sustituimos la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas debidas a la presión no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado empuje es la misma y actúa en el mismo punto, denominado centro de empuje.

Lo que cambia es el peso del cuerpo sólido y su punto de aplicación que es el centro de masa, que puede o no coincidir con el centro de empuje.

Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas: el empuje y el peso del cuerpo, que no tienen en principio el mismo valor ni están aplicadas en el mismo punto.

En los casos más simples, supondremos que el sólido y el fluido son homogéneos y por tanto, coinciden el centro de masa del cuerpo con el centro de empuje.

Todo lo anterior nos lleva a definir el concepto de flotación.

DEFINICIÓN: FLOTACIÓN O FUERZA DE EMPUJE

Cuando un cuerpo se sumerge total o parcialmente en un fluido, una cierta porción del fluido es desplazado. Teniendo en cuenta la presión que el fluido ejerce sobre el cuerpo, se infiere que el efecto neto de las fuerzas de presión es una fuerza resultante apuntando verticalmente hacia arriba, la cual tiende,en forma parcial, a neutralizar a la fuerza de gravedad, también vertical, pero apuntando hacia abajo. La fuerza ascendente se llama fuerza de empuje o fuerza de flotación y puede demostrarse que su magnitud es exactamente igual al peso del fluido desplazado.


APLICACIONES

Las aplicaciones a este principio son muchas tan así que podemos encontrarlas de forma muy cotidiana, hasta ejemplos a nivel industrial.

Sin duda, el principal ejemplo de aplicación de la flotación esta en las embarcaciones, grandes o pequeñas estas requieren de un estudio de flotación para su construcción. (Sin olvidar que por simple suspicacia de la gente las construye sin estudiar el diseño).

Un tipo de hidrómetro empleado universalmente en los talleres para determinar el peso específico del líquido de las baterías de los automóviles se utiliza bajo el principio de Arquímedes. Un flotador se hunde o no hasta cierta señal, dependiendo del peso específico de la solución en la que flota. Así, el grado de carga eléctrica de la batería puede determinarse, pues depende del peso específico de la solución.

También se encuentran aplicaciones para determinar la densidad de un objeto, como se explicó en la introducción.

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES PERSONALES

Sin duda que a diario se dejan pasar bastantes situaciones cotidianas sin analizar físicamente. En el caso de la flotación se distinguen usos diarios y comunes. Por ejemplo al ir a la playa y nadar, la persona es el objeto en el cual se emplea la fuerza de empuje y se obtiene una flotación.

Como avance científico y tecnológico es muy importante, pues con este principio de flotación se han podido calcular mejores embarcaciones, robustas las cuales cruzan océanos completos sin hundirse, sabiendo de ante mano cual es su máximo de carga.

Se han construido instrumentos de medición que facilitan el estudio y verificación de diversos elementos (densidades, cargas eléctricas, peso, etc.), facilitando una herramienta mas para el estudio y evaluación de los mismos.

APÉNDICE

Biografía: Arquímedes (Siracusa: 287 - 212 a.C.)

Matemático y físico griego, conocido especialmente por sus inventos. Pasó la mayor parte de su vida en Siracusa (Sicilia).

Descubrió que el volumen de la esfera es igual a dos tercios del volumen del cilindro circunscrito y que la superficie de la esfera es cuatro veces mayor que su círculo máximo.

Determinó que el valor de " π " está comprendido entre 22/7 y 221/71. El primero de estos valores fue utilizado durante gran parte de la edad media como aproximación a "π".

También ideó la espiral de Arquímedes, cuyo radio vector es proporcional al ángulo, aunque algún autor clásico atribuye su descubrimiento a Conón de Samos.

En Física descubrió el principio hidrostático que lleva su nombre, después generalizado a todos los fluidos, que se enuncia así: Todo cuerpo sumergido en un líquido pierde una parte de su peso, o sufre un empuje de abajo arriba, igual al del volumen de agua que desaloja. Si el peso del objeto es menor que el del agua que ocupa el mismo volumen, el cuerpo flota. Si es igual, permanece en equilibrio hundido en el líquido, y si es mayor se hunde. Se cuenta que dio con este principio cuando el rey de Siracusa le ordenó descubrir si una corona que había encargado estaba realmente hecha de oro macizo, sin romperla ni destruirla. Preocupado por el problema, Arquímedes se sumergió con ella en el baño, y cuando notó que el agua de la bañera rebordaba, se le ocurrió la idea y corrió desnudo por las calles de Siracusa, mientras gritaba: Eureka (lo encontré).

Se le atribuyen unos cuarenta inventos mecánicos, entre los que destacan la rueda dentada y el tornillo de Arquímedes o tornillo sin fin, una máquina para elevar agua que se supone ideó para extraer agua de la sentina de los barcos, de la que existen varias formas. La más sencilla es una tubería helicoidal que gira mediante una manivela y está inclinada un ángulo de 45 grados.

También experimentó con la palanca (se le atribuye la frase: Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo). Cuando los romanos sitiaron Siracusa, construyó una serie de máquinas y catapultas que arrojaban una lluvia de proyectiles de gran peso y sembraron el espanto en los ejércitos de Marcelo, y así logró defender la ciudad durante tres años.

 

También se ha dicho que empleó grandes espejos cóncavos para incendiar las naves, aunque esto puede ser una leyenda posterior. Cuando cayó la ciudad, Marcelo ordenó que se respetara a Arquímedes, pero se cuenta que un soldado le mató porque le reprendió por estropear sus dibujos en la arena, donde estaba resolviendo un problema de Geometría.

De sus muchos libros se han conservado nueve: De la esfera y del cilindro, donde realiza los descubrimientos mencionados anteriormente; Sobre la medida del círculo, obra corta en la que halla una aproximación de la longitud de la circunferencia (y por tanto del valor de ), calculando el perímetro de dos polígonos de 96 lados inscrito y circunscrito; Conoides y esferoides; Sobre las hélices; Equilibrio de los planos; Sobre la cuadratura de la parábola; El arenario, donde inventa un sistema de numeración que le permita expresar números muy grandes, que utiliza para calcular el número de granos de arena que podrían llenar la esfera celeste, cuyo diámetro estima en un valor próximo a un año-luz; Equilibro de los cuerpos flotantes; en el que describe sus trabajos sobre hidrostática y el principio de Arquímedes; Y Método respecto a los teoremas mecánicos, descubierto en el siglo XIX.

Se le ha dado el nombre de Arquímedes a un círculo de montañas lunares de unos 80 km. de diámetro.

BIBLIOGRAFÍA

Consultas en:

http://www.monografias.com

http://www.e-magister.com

http://www.sc.ehu.es/

http://www.wikipedia.org

http://es.wikibooks.org

http://www.portalplanetasedna.com.ar

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