Universidad Nacional Tecnolgica de Lima Sur

EXPERIMENTO 04:HIDROSTATICAOBJETIVOS:

Evaluar experimentalmente la paradoja hidrosttica. Evaluar la variacin de la presin con la profundidad en un lquido. Estudiar el principio de Arqumedes.

FUNDAMENTO TEORICO

Presin: fuerza normal por unidad de rea aplicada sobre una superficie.

Presin Hidrosttica: presin debida al peso de un fluido en reposo sin considerar la presin atmosfrica. Es la presin que sufren los cuerpos sumergidos en un lquido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este. Se define por la frmula:

Presin atmosfrica: presin ejercida sobre la superficie terrestre por la masa de aire que se encuentra sobre la tierra.

Paradoja Hidrosttica: La presin en un fluido esttico al mismo nivel (a la misma altura) es siempre la misma.

Figura 1.

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

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

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

MATERIALES

Universidad Nacional Tecnolgica de Lima Sur

FISICA IIPgina 13

Un soporte Universal Vaso de Precipitado (250 ml, 100 ml) Barra (Fe, Al, madera) Platillo con pesas (150 g) Dos Nuez doble Dinammetro (2N) Cinta mtrica (2 m) Barra metlica y soporte de dinammetro Dos Campanas de vidrio Bola y tapn de goma Tubo de vidrio recto (8 cm y 25 cm) Juego de sondas para presin hidrosttica Soporte de tubos Tubo de silicona Vaso de expansin Jeringa de 20 ml

PROCEDIMIENTOParte I1. 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 colquela 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.

Parte II

4. Instale el manmetro en U, llene agua hasta que los dos tubos estn llenos hasta la mitad, conecte uno de los extremos del manmetro por medio un tubo de silicona a una de las sondas para medir la presin hidrosttica, luego ponga agua en el vaso de precipitados y sumerja la sonda.

5. Utilice la sonda en forma de gancho para medir la presin hacia abajo, la sonda en ngulo recto para medir la presin hacia los lados y para la presin 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 variacin de la presin con la profundidad, sumerja la sonda recta de 10 cm en 10 cm, anote la profundidad h y la presin absoluta p en la tabla 2.

Parte III

7. Principio de Arqumedes, llene aproximadamente del vaso de precipitados con agua, cuidadosamente coloque la barra de aluminio, madera, la unin plstica, tapn de goma y la bola de goma y observe cuales flotan y cuales se hunden.

8. Llene con agua el vaso de expansin, 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 m0 del vaso de precipitados.

9. Determine con el dinammetro el peso en el aire de las masas de 50,100 y 150 g, luego sumerja completamente cada masa y usando un dinammetro, mida el peso en el agua de las masas y mida tambin la masa del agua desplazada.

REPORTE DE LABORATORIO

1. De acuerdo a la parte I del Procedimiento:

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

..................

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

..................

2. De acuerdo a la parte II del procedimiento.

Tabla 1.manmetrol (cm)lprom (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.

........................

Tabla 2.1234567

h (cm)

p (Pa)

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

............

Explique qu representa la constante del ajuste de curvas................

Explique que representa la pendiente del ajuste de curvas..........3. De la parte III del procedimiento:De acuerdo al paso 7 del procedimiento de que cantidades fsicas depende la flotabilidad de los cuerpos. Explique.

...............

Con los datos de los pasos 8 y 9 del procedimiento complete la siguiente tablaTabla 3Masa (g) Peso (N)Peso aparente (N)Empuje (N)Peso de agua desplazada (N)

50

100

150

Explique cmo calcul el peso de agua desplazada.............

Compare los resultados obtenidos para el empuje y el peso de agua desplazada en cada caso. Explique sus resultados.........................CUESTIONARIO1. Explique detalladamente el funcionamiento de un submarino.Los submarinos estn 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 sistemade tanques con el que pueden almacenar tantoairecomoagua. Para emerger utilizan el aire comprimido, expulsando agua de los tanques de lastre, a travs de unasvlvulas. Cuando el submarino llega a la superficie, los tanques de lastre se vacan por completo. Para la inmersin, el agua entra por las vlvulas inferiores y el aire va saliendo por las superiores. La posicin deequilibriose consigue gracias a los timones de inmersin, que estn situados de popa a proa.El trmino submarino comprende una amplia gama de tipos de buque, yendo desde los pequeos para dos personas, que sirven para examinar el fondo del mar unas pocas horas, hasta los nucleares, que pueden permanecer sumergidos durante ao y medio y portar misiles nucleares capaces de destruir varias ciudades. Hay tambin submarinos especializados, como los de rescate submarino (como los DSRV o de clasePriz).Estas naves de granvalorestratgico en el terreno militar, en el terreno cientfico, los submarinos nos han permitido conocer y explorar los lugares ms 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 ao de 1620 logro construir el primer submarino funcional fue Cornelius van Drebbel, un mdico holands radico en Londres. Sudiseoconsista en un bote de remos cubierto por una capa decueroengrasado. Los remeros respiraban mediante tubos que salan hasta la superficie del agua. Increblemente, logro sumergirse en las aguas del rio Tmesis a una profundidad de cinco metros y permanecer as durante varias horas.Respecto de latecnologade los submarinos, hay dos aspectos fundamentales relacionados con las fuerzas que actan sobre ellos: El actuar de lapresindel agua sobre el casco de estas naves El lograr que se sumerjan o emerjan a voluntadAmbos aspectos estn relacionados con elconceptodefuerza, pero en los dos cascos todas las fuerzas que actan estn prcticamente en equilibrio.Los objetos que al ser sumergidos desplazan unvolumende lquido que pesa ms que ellos flotan. Lo que desplazan un volumen de agua cuyo peso es menor que el del objeto se hunden. De aqu te podrs 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 flotacin est relacionado con ladensidad: los objetos de menor densidad que el lquido que los contiene flotan, y en caso contrario se hunde. Ejemplo de estos objetos son los chalecos salvavidas, las tablas para surfear, las boyas y las burbujas de aire. Esto es parte de lo que necesitamos saber para disear una nave que flote o se hunda a voluntad. La idea no es original; lospecesla 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 posicin de equilibrio vuelva a su posicin de equilibrio).La estabilidad transversal de un barco depende de la posicin (altura) de su centro de gravedad por encima de la quilla.

Un barco tiene equilibrio transversal estable cuando su centro de gravedad (G) est 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 est 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 est vaco; entonces se necesita lastrar los tanques bajos (doble fondos) para lograr bajar su centro de gravedad. En un Panamax vaco tambin generalmente se precisa lastrar con agua una bodega para lograr una buena estabilidad cuando debe navegar vaco.La Organizacin Martima Internacional (OMI) exige, entre muchos otros criterios de estabilidad, que un buque debe tener como mnimo 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 tambin hay que considerar la ESTABILIDAD DINAMICA.

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

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 clculo 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 automtica, una vez que se programa la distribucin de la carga.A pesar de las computadoras, un 1er. Oficial debe tener slidos conocimientos de estabilidad y arquitectura naval para asegurar una buena estabilidad y la seguridad del barco.3. Explique la aplicacin del principio de Arqumedes para determinar la densidad de cuerpos de forma arbitraria.Cuando un cuerpo de masam,volumenVc y densidadd;c=m/Vcy forma arbitraria, se sumerge totalmente en un lquido de densidadP el contenido en un recipiente desplazara un volumenVde este lquido igual al volumen del cuerpo sumergidoV=Vc.El cuerpo sumergido experimentara una disminucin aparentemente de su peso (W") cuyovalorse registrara en eldinammetro(balanza). se cumple:

W" = W - E luego, E = W - W" .. (1)

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

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

E =mLg =dVg . (2)

des la densidad del lquido ; V es el volumen del lquido desalojado mLes la masa del lquido desalojado ; g es la aceleracin de la gravedad

Igualando (1) y (2):

dVg = W-W" .. (3)

pero

V = Vc = m /dC . (4)

Vces el volumen del cuerpo ; mes la masa del cuerpo ; Ces la densidad del cuerpo

Reemplazando (4) en (3) y despejandoC

Con esta ecuacin se puede calcular tanto la densidad del cuerpo, como tambin inferir si el cuerpo flotara o se hundir.

CONCLUSIONES

Medianteelmtodoexperimentalsehapodidodeterminarquelatensin(T)deuncuerpo sostenido en dicho cable no es proporcional al peso; sino a la sumatoria detodas las fuerzas que existen como: elempuje del agua (B) + elpeso (W).

En el equilibrio: F=0B + (-W) +T = 0T = W - B

Los lquidosvaran en sucomportamiento segn seasu composicin ydependiendo dela ubicacin (altitud) endonde estn.

La Fuerza deflotacin es proporcional a la densidad del fluido, no a la densidad delobjeto. Cuanto, mas denso es elfluido, mayor ser la fuerza deflotacin y menor ser la tensin en el cable.

Basados en el Principio de Arqumedes, vemos que se puede calcular la densidad de un objeto, entre otras magnitudes, slo utilizando sus fuerzas.

Esta clase deexperimentos hechoen ellaboratoriopresentan mayor veracidad sison llevados a cabo para objetos de densidad mayor que la del fluido donde sernsumergidos, de locontrario no segarantiza unaefectividad que caracterice a unbuen experimento.