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Principio de Arquímedes Guía

FísicaIntermedioTiempo de lectura: 3 min

Resumen

¿Por qué un enorme barco de acero flota en el océano mientras que una pequeña piedra se hunde hasta el fondo? Hace más de 2000 años, Arquímedes descubrió el secreto del desplazamiento y la flotabilidad en una bañera. En este experimento, utilizarás el 'Método de Pesaje' para verificar el Principio de Arquímedes y descubrir los factores centrales que determinan la flotabilidad: ¿Es la densidad del líquido? ¿El volumen desplazado? ¿O la profundidad de inmersión?

Antecedentes

Existe una famosa leyenda sobre el descubrimiento del Principio de Arquímedes. El rey de Siracusa pidió a un orfebre que hiciera una corona de oro puro, pero sospechaba que el orfebre había mezclado algo de plata. Arquímedes reflexionó sobre este problema hasta que un día, mientras se bañaba, notó que el agua se desbordaba de la bañera. Se dio cuenta de la relación entre el volumen y el desplazamiento, y corrió emocionado desnudo a la calle gritando '¡Eureka!' (¡Lo he encontrado!). Utilizó el método de desplazamiento de agua para medir el volumen de la corona irregular y determinó su autenticidad. Aunque esta historia puede ser apócrifa, demuestra vívidamente que los descubrimientos científicos a menudo surgen de la observación aguda de los detalles cotidianos.

Conceptos clave

Flotabilidad (FbuoyF_{buoy})

La fuerza ascendente ejercida por un fluido (líquido o gas) sobre un objeto sumergido en él. La dirección es siempre verticalmente hacia arriba.

Método de Pesaje

Fbuoy=G−FpullF_{buoy} = G - F_{pull}

Un método para medir la flotabilidad midiendo el peso del objeto en el aire y luego en el líquido. La diferencia entre los dos es la fuerza de flotación.

Principio de Arquímedes

Fbuoy=GdisplacedF_{buoy} = G_{displaced}

La fuerza de flotación sobre un objeto sumergido en un fluido es igual al peso del fluido que el objeto desplaza.

Fórmulas y derivación

Fórmula del Principio de Arquímedes

Fbuoy=ρliquidgVdisplacedF_{\text{buoy}} = \rho_{\text{liquid}} g V_{\text{displaced}}
La magnitud de la fuerza de flotación está determinada únicamente por la densidad del líquido ρliquid\rho_{\text{liquid}} y el volumen del fluido desplazado por el objeto VdisplacedV_{\text{displaced}}, y es independiente de la propia densidad del objeto.

Pasos del experimento

  1. 1

    Medir el Peso en el Aire (GG)

    Observe la lectura del dinamómetro de resorte cuando el bloque de metal no esté tocando la superficie del líquido. Registre el peso del bloque de metal GG.
  2. 2

    Explorar el Volumen Desplazado (VdisplacedV_{displaced})

    Arrastre lentamente el soporte hacia abajo. Observe cómo cambia la lectura del dinamómetro a medida que el bloque de metal pasa de tocar la superficie del agua a estar completamente sumergido. ¿Qué indica esto sobre la relación entre la flotabilidad y el volumen de líquido desplazado?
  3. 3

    Explorar la Profundidad de Inmersión (hh)

    Después de que el objeto esté completamente sumergido, continúe arrastrándolo hacia abajo una cierta distancia. Observe si la lectura del dinamómetro cambia. ¿Refuta esto la intuición incorrecta de que 'la flotabilidad aumenta con la profundidad'?
  4. 4

    Explorar la Densidad del Líquido (ρliquid\rho_{liquid})

    Mantenga la profundidad constante y cambie el líquido a 'Salmuera' (agua salada concentrada). Encontrará que la lectura del dinamómetro disminuye. ¿Significa esto que la flotabilidad ha aumentado o disminuido? ¿Cómo afecta la 'densidad' del entorno a la flotabilidad?

Resultados del aprendizaje

  • Confirmar que la flotabilidad es directamente proporcional a VdisplacedV_{\text{displaced}} y ρliquid\rho_{\text{liquid}}.
  • Dominar la habilidad experimental de calcular la flotabilidad utilizando el 'Método de Pesaje'.
  • Corregir la idea errónea intuitiva de que 'la flotabilidad aumenta a medida que un objeto entra más profundo'.
  • Comprender profundamente el significado físico específico del Principio de Arquímedes.

Aplicaciones reales

  • Ingeniería Naval: Generar un enorme desplazamiento aumentando el volumen de la parte hueca del casco para producir suficiente flotabilidad para levantar un barco de 10,000 toneladas.
  • Submarinos: Cambiar su propio peso tomando y descargando agua en tanques de lastre para lograr salir a la superficie o sumergirse (mientras la flotabilidad permanece básicamente sin cambios).
  • Globos Aerostáticos: Calentar el aire dentro del globo para disminuir su densidad, utilizando la flotabilidad generada por el aire frío circundante para ascender.
  • Hidrómetros: Utilizar el principio de flotación para medir la densidad de varios líquidos.

Errores comunes

Error
Cuanto más profundo está enterrado un objeto en un líquido, mayor es la flotabilidad que recibe.
Correcto
Incorrecto. Antes de estar completamente sumergido, la flotabilidad ciertamente aumenta con la profundidad (porque VdisplacedV_{\text{displaced}} está aumentando); pero después de estar completamente sumergido, dado que VdisplacedV_{\text{displaced}} ya no cambia, la flotabilidad permanece constante.
Error
Los objetos más pesados deben recibir mayor flotabilidad que los objetos más ligeros.
Correcto
Incorrecto. La flotabilidad solo está relacionada con el 'volumen de líquido desplazado', y no tiene relación directa con la masa, densidad o forma del objeto. Un bloque de hierro es más pesado que un bloque de madera, pero si sus volúmenes son iguales, la flotabilidad que reciben cuando están completamente sumergidos es la misma.

Lectura adicional

¿Listo para empezar?

Ahora que entiendes lo básico, ¡comienza el experimento interactivo!

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