UNIVERSIDAD DE ORIENTENÚCLEO DE MONAGAS

CURSOS BÁSICOSSECCIÓN DE FISICA

LABORATORIO DE FISICA

INSTRUCTOR: INTEGRANTES:

PROF. GORKI MALAVÉ. ANNA BASILE C.I: 19603386

MARIANA CASTILLO C.I: 19405766

ASDRUBAL ZAPATA. C.I: 19381172

MATURIN, Enero del 2010

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INDICE

Pág.

Introducción……………………………………………………………………………. 3

Bases teóricas…………………………………………………………………………. .. 4-7

Materiales y Equipos……………………………………………………………………. 8

Datos y Resultados ………………………………………………………………………9-11

Conclusiones…………………………………………………………………………….. 12

Bibliografía………………………………………………………………………………. 13

Anexos…………………………………………………………………………………... 14

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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.

Se tiene que un Principio es una hipótesis o afirmación general acerca de la relación de cantidades naturales, a partir de observaciones experimentales, que se ha comprobado una y otra vez y que no se le ha encontrado contradicción. El principio de Arquímedes es una consecuencia de las Leyes de la Estática. Analicemos la fundamentación teórica del Principio de Arquímedes o sea a que se debe que se produzca dicha fuerza de empuje.

El sabio griego Arquímedes (287-212 a.C.) fue el primero en medir el empuje que los líquidos ejercen sobre los sólidos sumergidos en ellos, con la consiguiente pérdida aparente de peso. Su principio se enuncia así:

“Todo cuerpo sólido introducido en un fluido, total o parcialmente, experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo”.

Lo que se pretende en este laboratorio en precisamente analizar el comportamiento de las fuerzas que ejercen los líquidos sobre algunos sólidos que manipularemos de manera experimental.

Dentro de los objetivos que pretendemos alcanzar en esta práctica de laboratorio están los siguientes:

Comprobar experimentalmente la teoría adquirida en clase sobre el principio de Arquímedes.

Determinar el volumen de un cuerpo sólido por dos métodos ( por calibrador, vernier o pie de rey y por el volúmen desplazado en un recipiente) y también poder determinar su densidad.

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BASES TEÓRICAS

Arquímedes, hacia el año 250 a.C., investigó alguno de los principios de la hidráulica, cuyas técnicas ya se empleaban con anterioridad, principalmente en sistemas de regadío y de distribución de agua por ciudades. Desde entonces se fueron desarrollando diversos aparatos y técnicas para el movimiento, trasvase y aprovechamiento del agua, siendo en general la cultura árabe la que desarrolló mayores proyectos y técnicas en este sentido.

El principio de Arquímedes puede ser enunciado como:

``Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical, y dirigido hacia arriba, igual al peso del fluido desalojado.''

Este principio es de una importancia científica y de una aplicación práctica inmensas.

La teoría de los cuerpos flotantes, la de los areómetros y de la determinación de los pesos específicos se fundan en esta ley. Muchos problemas de la navegación y todos los referentes al metacentro descansan igualmente en el principio de Arquímedes.

El principio de Arquímedes se demuestra experimentalmente por medio de la balanza hidrostática. Esta balanza se diferencia de la ordinaria en que tiene un pequeño gancho en la parte inferior de uno de los platillos del que se suspenden dos cilindros de metal, el inferior macizo y el superior hueco, cuya capacidad es igual al volumen exterior del cilindro macizo. Establecido el equilibrio, colocando peso en el platillo opuesto, se sumerge el cilindro inferior en el agua. El equilibrio se altera inmediatamente, y para restablecerle basta llenar de agua el cilindro superior, lo cual prueba que la pérdida de peso del otro cilindro es igual al peso del agua contenida en el cilindro hueco, cuyo volumen es igual exactamente al del cilindro sumergido. Este principio se demuestra también por el raciocinio. En efecto, considérese una masa líquida en equilibrio y que una parte de ella se solidifique tomando una forma regular o irregular, pero sin que aumente ni disminuya su volumen; entonces las presiones horizontales que sufre esa masa en tal estado deben destruirse mutuamente, y las presiones verticales producirán el equilibrio del cuerpo por obrar de abajo a arriba un empuje igual al peso de la masa; si se supone reemplazado el fluido solidificado por un cuerpo sólido de igual forma y dimensiones, éste sufrirá las mismas presiones, puesto que únicamente dependen de la extensión de las superficies y de su posición en la masa fluida, reduciéndose todas aquellas presiones a una fuerza que obra de abajo a arriba o a un empuje igual al peso del líquido desalojado. Si el peso del cuerpo excede al empuje, desciende en el líquido y la fuerza que le solicita a descender estará representada por la diferencia entre el peso del cuerpo y el del líquido desalojado, bastando para sostenerle una fuerza igual a dicha diferencia.

Por medio del principio de Arquímedes se puede fácilmente obtener el volumen de un cuerpo que no se disuelva en el agua. Para esto se le suspende por medio de un hilo fino de un gancho de la balanza hidrostática, pesándole primero en el aire y después en el agua. La

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diferencia de peso expresa el peso del agua desalojada, y como de este peso se deduce el volumen líquido desalojado, es evidente que también éste será el volumen del cuerpo sumergido.

Fuerza de empuje

Todo líquido ejerce una fuerza hacia arriba que actúa sobre los cuerpos sumergidos en él. Esta fuerza lo hará flotar si es mayor que el peso del cuerpo. Esta fuerza es la resultante  del sistema de fuerzas de la presión que ejerce el líquido sobre el cuerpo sumergido, y actúa en todas direcciones. Esta fuerza tiene una dirección vertical de abajo hacia arriba. La fuerza de empuje mayor cuanto más grande sea la densidad del líquido.

 

Acción del Peso y el Empuje. Si la el empuje es mayor el cuerpo flota. Si son iguales está equilibrado (dibujo) y si es menor el cuerpo se hunde.

 

Si P<E, flota, Si P=E queda sumergido en el sitio que se sitúe, Si P>E, flota

Tenemos por lo tanto que la fuerza de empuje se produce debido a que en cualquier fluido en reposo la presión aumenta con la profundidad, lo cual produce fuerzas perpendiculares a la superficie del cuerpo que son mayores en las partes del cuerpo que se encuentran más profundas. Esto produce una fuerza resultante ascendente ejercida por el fluido sobre el cuerpo que es igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo.

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Por lo tanto si la presión en un fluido no aumentara con la profundidad no existiría fuerza de empuje.

Equilibrio

Las dos fuerzas que actúan sobre un cuerpo sumergido tienen puntos de aplicación diferentes. El peso en el centro de gravedad del cuerpo, el empuje en el centro de gravedad del líquido desalojado. Para que haya equilibrio es necesario que ambos centros se encuentren en la misma vertical y que sean iguales.

En el dibujo de la derecha, se pierde el equilibrio cuando los puntos de aplicación del empuje y del peso no tienen la misma vertical.

Cuando el cuerpo se inclina, el centro de empuje cambia de situación. Volverá a su posición si el metacentro , que es el punto que corta la vertical trazada por el centro de empuje a la vertical primitiva que pasa por el centro de gravedad, está encima del centro de gravedad.

Aplicaciones del Principio de Arquímedes

Los barcos de superficie están diseñados de manera que el metacentro quede siempre por encima del centro de gravedad en caso de que se muevan o desplacen lateralmente.  El submarino en cambio no cambia ni de volumen pero sí de peso, adquiere agua para sumergirse y la expulsa con aire para disminuir su peso y subir.

Aplicaciones del Principio de Arquímedes a los Gases

Del mismo modo que sucede con los líquidos podemos decir que: Todo cuerpo sumergido en un gas, experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen de gas que desaloja  Por tanto se producen las mismas fuerzas que en el agua: la fuerza de empuje para ascender y la fuerza contraria que es su peso.  Si se consigue que la fuerza de empuje sea mayor que el peso, el cuerpo flota.   Este principio se aplica a los globos que están llenos de un gas menos pesado que el aire.

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Densidad

Es la masa correspondiente a la unidad de volumen.  Se llama densidad relativa a la relación entre la masa de un cuerpo y la de un volumen igual de agua destilada que se toma como comparación.

 

Peso Específico

Es el peso correspondiente a su unidad de volumen. Si llamamos p al peso, V al volumen, Peso específico es

 

También existe el peso específico relativo que es la relación entre el peso específico de un cuerpo y el de un volumen igual de agua destilada.

Entre Peso específico y Densidad hay diferencia y a que aunque no cambia la masa , el peso sí.  Pero de todas maneras al compararse con agua destilada se consideran ambos conceptos iguales.

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MATERIALES Y EQUIPOS

Recipiente cilíndrico aforado. Beaker. Balanza. Agua. Vernier o Pie de Rey con una precisión de 5x10-4 m. Cilindro aforado. Hilo.

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DATOS Y RESULTADOS

Comparar el volumen calculado por el vernier con el volumen calculado por el principio de Arquímedes, y hallar el % de error.

Fórmulas:

Volumen del Cilindro: π/4*diametro2*L (expresado en ml)

Se necesita Tomar en cuenta y calcular:

1. La capacidad2. Temperatura (°C)3. Apreciación.

Los pasos a seguir son los siguientes:1. Pesar el equipo volumétrico (seco).2. Llenar el equipo volumétrico hasta la capacidad.3. Pesar el equipo volumétrico (lleno).4. Conocer la temperatura.

Nota:

La masa cuando el equipo volumétrico estaba vacío fue de: 438,10grLa masa cuando el equipo volumétrico estaba lleno fue: 821,70 grLa temperatura era de: 23°CLa capacidad era de: 400 ml

CÁLCULOS

mlleno – mvacio = mliquido

821,70 gr – 438,10 gr = 383,60 gr.

Densidad = masa/volumen VLiquido = masa/densidad

La Densidad es: 0,997521

Entonces:

VLiquido = 383, 60/0,997521 = 384,553

Error = VLiquido – Capacidad

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Error= 384, 553 – 400/384,553

Error= 0,040

Volúmen del Cilindro:

= π/4*diametro2*L

= π/4*(72,40)2*33,15cm3

= 136.474, 196 mm3 136,474 cm3

1 cm3 -----------> 10 mm3

X -------------> 136.474,196 mm3

X = 136,474cm3 = ml

Apreciación:

= 136,474 – 150/ 136,474

=0,0991

=0,0991*10 = 0,991

Apreciación = ± 0,991

V1(sin solido) = 250 ml

V2(con solido) = 330ml

Δv = V2 – V1 = Vsolido

Vsolido = 330ml – 250ml

Vsolido = 80ml (Arquimedes)

VSolido = 83,44 (Vernier)

Error = l80ml – 83,44mll/80ml

Error = 0,043

%Error = 4,30%

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ANALISIS

El procedimiento experimental llevado a cabo tuvo como objetivo principal calcular la fuerza de empuje que ejercen los líquidos sobre los cuerpos sólidos sumergidos. Esta fuerza se puede explicar debido a que la presión en un fluido aumenta con la profundidad, es decir que es mayor la presión hacia arriba que un objeto experimenta sobre la superficie inferior que la presión hacia abajo que experimenta sobre la superficie superior, por consiguiente la fuerza resultante, conocida como fuerza de empuje o fuerza boyante se dirige hacia arriba .

El montaje utilizado permitió medir la cantidad de líquido que un cuerpo sólido desplaza al ser sumergido completamente en un fluido, de esta forma comprobamos que el volumen desalojado es equivalente al volumen medido a partir de la geometría de cada uno de los objetos. Lo anterior se debe a que al sumergir totalmente el sólido en el fluido éste pasa a ocupar el mismo espacio de la masa de agua que desaloja para que el conjunto permanezca en equilibrio, es decir para que el líquido no caiga ni se eleva en el recipiente que lo contiene.

Por otra parte se pudo ratificar que todos los cuerpos al estar inmersos en un fluido experimentan una fuerza de empuje, al comparar el peso del sólido sumergido en dos clases de fluidos: aire y agua. La fuerza de empuje que ejerce el aire es aproximadamente mil veces menor que la fuerza de empuje que ejerce el agua, debido a las diferencias en las densidades de los dos fluidos; por esta razón es posible levantar con mayor facilidad un cuerpo sumergido en el agua que uno sumergido en el aire debido a que la fuerza de empuje actúa como una fuerza adicional a la fuerza ejercida por la persona hacia arriba.

Finalmente el montaje nos permitió calcular la densidad del sólido por medio de dos métodos diferentes: el geométrico y el de Arquímedes, y confirmar la veracidad de nuestros resultados gracias a la densidad convencional de cada uno de los materiales de los objetos utilizados en la práctica.

¿Quién es mas preciso entre el vernier y el principio de Arquímedes?

Comparando los métodos utilizados en la práctica de laboratorio, podemos concluir que es más confiable el método de Arquímedes, puesto que nos permite calcular con mayor exactitud el volumen para objetos irregulares. Si el volumen de los agujeros en cada sólido hubiera sido despreciado, el resultado final hubiera sido diferente.

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CONCLUSIONES

Un Principio es una hipótesis o afirmación general acerca de la relación de cantidades naturales, a partir de observaciones experimentales, que se ha comprobado una y otra vez y que no se le ha encontrado contradicción.

El Principio de Arquímedes nos enseña el empuje que recibe un cuerpo cuando se introduce en un líquido, por ejemplo barcos y submarinos.

De todo el proceso de estudio y análisis podemos concluir y afirmar los siguientes puntos:

Cuando un cuerpo se sumerge en un fluido cuya densidad es menor, el objeto no sostenido se acelerará hacia arriba y flotará; en el caso contrario, es decir si la densidad del cuerpo sumergido es mayor que la del fluido, éste se acelerará hacia abajo y se hundirá.

Concluimos que es cierto que todos los cuerpos al estar sumergidos en un fluido experimentan una fuerza de empuje hacia arriba, por el principio de Arquímedes analizado en el laboratorio, pues los fluidos ejercen resistencia al sólido sumergido en ellos para equilibrar el sistema

En toda práctica experimental es necesario repetir el procedimiento varias veces para lograr una mayor precisión y exactitud, sin embargo, como todo experimento implica un margen de error es imposible lograr los resultados de un sistema teórico e ideal.

Gracias al principio de Arquímedes es posible calcular el volumen de los cuerpos irregulares, si necesidad de fundirlos para transformarlos en figuras regulares.

Dada las variables recogidas en la práctica pudimos establecer los pesos aparentes, la densidad, las masas aparentes, los volúmenes del sólido utilizado en el laboratorio #1.

En este laboratorio pudimos afianzar satisfactoriamente los conceptos de peso, peso aparente, fuerza de empuje, volumen desplazado, apreciación y la densidad de una sustancia.

Entre Peso específico y Densidad hay diferencia y a que aunque no cambia la masa , el peso sí.  Pero de todas maneras al compararse con agua destilada se consideran ambos conceptos iguales.

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BIBLIOGRAFÍA

WILSON, Jerry D. Física con aplicaciones, Segunda Edición. Editorial McGraw-Hill, 1991. SERWAY, Raymond A. Física, Cuarta Edición. Editorial McGraw-Hill, 1996. LEA Susan, Burke John Robert. Física Vol. I. La naturaleza de las cosas. Editorial

international Thomson. México 1999 RODRÍGUEZ Saucedo, Luis Alfredo M Guía de laboratorio. www.kalipedia.com.ve www.mailxmail.com/curso-iniciacion-fisica/que-flotan-cuerpos

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ANEXOS

Princípio de Arquímedes.

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