Laboratorio #3 Flotación_Archimedes (Física I)

8/16/2019 Laboratorio #3 Flotación_Archimedes (Física I)

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CEUTEC de UNITEC

Laboratorio de Física I: Flotación de Cuerpos

Parte 1

I. Objetivos

1. Comprobar la ley de Arquímedes2. Calcular la densidad de un objeto metálico utilizando esa ley

II. Materiales

Procedimiento A

Balanza Vaso de precipitado o “beaker” Pieza cilíndrica metálica con

graduación. Cuerda Pipeta (gotero) Soporte, pie estático con polea.

Procedimiento B

Balanza Vaso de precipitados (beaker) Probeta (100 ml) Pieza metálica Cuerda Pipeta (gotero)

III. Teoría Resumida

Arquímedes comprobó el efecto de la diferencia de presiones que sufre un cuerpo sumergidoen un fluido, debido a la diferencia de alturas a que se encuentran las distintas partes de susuperficie externa.

Estableció que “Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical hacia arriba

igual al peso de volumen de fluido desalojado” . Esto se resume en la fórmula que sigue:

= (1)

En donde,

E = fuerza de empuje o de flotaciónρ = densidad del fluidoV = volumen sumergidog = 9.8 m/s

En nuestra experiencia variaremos lentamente el volumen sumergido de una pieza cilíndrica.Como el volumen de un cilindro es función de su altura, a mayor profundidad sumergidamayor ha de ser el empuje, de forma que nuestra fórmula anterior se puede leer como:


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() = (2)

En donde,E(h) = función de la flotación en relación a la altura del cilindro. = área de la cara circular del cilindro

ℎ = altura sumergida del cilindro = 9.8 /

El procedimiento de Arquímedes nos sirve indirectamente para obtener la densidad del cuerposumergido. A partir de la formula (1) la podemos escribir como:

/ = =

De ahí:

= ( ⁄ ) (3)

IV. Procedimiento Experimental y Toma de Datos

Procedimiento A1. Dispone de un cilindro metálico con marcas cada 0.5 a lo largo de su altura.2. Mida su masa, su altura y el radio de la base3. Vierta en el beaker 250 de agua4. Coloque en la balanza el beaker con agua y registre el dato (lo llamaremos Mo)

5.

Mediante el montaje con soporte y polea, cuelgue el cilindro para que quede por encimade la superficie libre del agua y que pueda variar la profundidad sumergida jalando lacuerda, tras haberla pasado por la polea y por una de las roscas de la parte inferior delmontaje.

6. Ahora vaya introduciendo el cilindro cada 10 , y registre los datos de la balanza. Procureque el cilindro se mantenga siempre vertical.

7. Caso de tener otros cilindros, repita el procedimiento para todos ellos.


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Procedimiento B1. Mida la masa de la probeta vacía = M02. Coloque el vaso de precipitados sobre la balanza y llénelo de agua, hasta que comience a

derramarse por el tubito lateral. Auxíliese del gotero.3. Pese el vaso con el agua y registre el dato que = M14. Siempre trabajando sobre el plato de la balanza y manteniendo colgada la pieza metálica

con su mano, introduzca la pieza en el vaso con agua (cuidando que no toque el fondo delvaso, tampoco sus paredes).

5. Recoja en la probeta el agua que salga por el tubito del vaso.6. Registre ahora el nuevo dato que proporciona la balanza en estas condiciones = M2

(Observe que es igual a M1).7. Tras haberlo hecho, alargue la cuerda, de la que cuelga la pieza metálica, hasta que ésta

toque el fondo del vaso. Con esto comprobará visualmente que en el paso 5) el registro,M2, que dio la balanza no fue debido a la masa de la pieza metálica.

8.

Mida con la probeta el volumen de agua que desplazó la pieza metálica = Vdesp9. Mida la masa de la probeta con el agua que quedó dentro = M3. La masa del agua

desplazada evidentemente será M3 – Mo.(Observación: se recomienda leer el ejemplo 14.6, pág. 525 de Sears_Zemansky-Young-

Freedmann, 11ma. edición)

V.

Registro de Datos

Procedimiento A1. Masa del cilindro2. Altura y radio del cilindro

3.

Tabla con los datos de profundidades y los correspondientes valores obtenidos con labalanza.4. Por supuesto registre todos los errores instrumentales.

Procedimiento BHabrá de consignar con claridad:1. Valores obtenidos para: M0, M1, M2 y M3.


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2. Lógicamente para cada uno de ellos generará una tabla con el número de medicionesrealizadas en base al error estadístico. Tabla que necesariamente contendrá lascorrespondientes desviaciones.

3. Errores instrumentales4. Volumen del agua desplazada.

VI. Cálculos necesarios

Procedimiento ACon los datos obtenidos, necesitará calcular:1. Valores de empuje para cada profundidad2. Valor de la pendiente en la gráfica de Medición de la balanza vs. profundidad.

Procedimiento BCon los datos obtenidos, necesitará conocer o calcular:

1.

La masa de agua desplazada por la pieza2. El empuje que sufre la pieza metálica en el interior del vaso con agua, obtenido a través delproceso señalado en IV 3), por un lado, y el obtenido a través de IV 6) por otro.

VII. Resultados

Procedimiento A1. Valores de empuje para las distintas profundidades.2. Gráfica de mediciones del empuje vs. masa medida por la Balanza. (ver AQUÍ para crear una

regresión lineal en Excel.)3. Densidad de la pieza metálica: use la ecuación (3) de la teoría resumida. Compruebe la

validez de este resultado en una tabla de densidades.

Procedimiento B1. Confirme la ley de Arquímedes. Con las mediciones realizadas, calcule el empuje. Confirme

ese valor mediante sumatoria de fuerzas que registra la balanza, en todos sus casos. (Laclave de la confirmación es la igualdad de datos señalada en VI. 1.)

2. Realice diagramas de cuerpo libre para los siguientes cuerpos (subrayados):

Pieza colgante sumergida pero sin tocar el fondo del vaso Agua en el vaso con la pieza en su interior y ésta no toca el fondo Pieza colgante sumergida tocando el fondo vaso Agua en el vaso cuando tiene en su interior la pieza y ésta toca el fondo

https://www.youtube.com/watch?v=M9ymfYTXyaYhttps://www.youtube.com/watch?v=M9ymfYTXyaYhttps://www.youtube.com/watch?v=M9ymfYTXyaYhttps://www.youtube.com/watch?v=M9ymfYTXyaY


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VIII. Cuestionario

1. Haga un diagrama del objeto sumergido y explique mediante diferencia de presiones laaparición del empuje. En el valor final del empuje, ¿interviene la fuerza realizada por lapresión atmosférica? ¿Deberá esperarse un valor distinto del empuje si cambia la presión

de la atmósfera terrestre? Explique.2. ¿Por qué son iguales M1 y M2?. Esto es una clave del experimento: exponga con claridad

sus argumentos.3. En el paso 6) del Procedimiento experimental “A”, la balanza registra la suma de varias

fuerzas: pesos de vaso, agua y una fuerza adicional ¿Cuál es ésta?4. Si en el procedimiento B hubiera utilizado cilindros de las mismas dimensiones pero de

materiales distintos y realizado los mismos procesos que en el caso del cilindro de aluminio,¿debería encontrar empujes iguales para las mismas marcas o distintos? Explique.

5. Para la recta de la regresión lineal de VII B 2, indique y argumente:a. qué magnitud física representa la constante libre;

b.

validez para la Física de que el valor llamado R

2

sea muy próximo a 1.6. Suponga que en el procedimiento B se colgase el cilindro de un dinamómetro e igualmentese fuera sumergiendo en el agua según lo señalan las marcas. ¿Cuál es la fuerza neta quemediría? Explique (Será útil que apoye sus argumentos con un diagrama de cuerpo libre)

7. (VALOR EXTRA) El empuje no actúa habitualmente en el centro de masas. ¿Qué sucedecuando el centro de empuje y el centro de masas no caen en la misma vertical? Expliquedespués por qué un barco puede hundirse aunque su densidad global promedio (porsupuesto incluye la carga) sea menor que la del agua, si se distribuye inadecuadamente esacarga. Haga un bosquejo de la situación con las fuerzas que intervendrían con una ‘maladistribución’ de la carga. (Investigue sobre ‘centro de empuje’ y ‘momento de torsión)

Parte 2

I. Objetivos

1. Visualizar cómo cambia el empuje (fuerza boyante) sobre un objeto sumergido al cambiarla densidad del fluido.

2. Calcular la densidad de un objeto de masa próxima a la del fluido.

II. Materiales

Balanza Beaker Sal refinada (NaCl)

Objeto de densidad próxima a ladel agua (cilindro de nylon o goma) Agitador

III. Teoría Resumida

De la relación entre las dos fuerzas que intervienen sobre un objeto sumergido (empuje ypeso), se concluye la flotación, el quedar suspendido en una zona intermedia del fluido o el


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3. Densidad de la mezcla agua-sal con la que se consiguió que el tapón de hule alcanzara lazona intermedia del beaker

4. Densidad del tapón de hule, obtenida tras la realización del paso 13.

VI.

Resultados

Las densidades del tapón de hule y de la mezcla final de sal-agua. Estas habrán de coincidir.Ello le asegurará que realizó bien los procedimientos y entendió el objetivo de la experiencia.

VII.

Cuestionario

1. ¿Qué ventaja tiene usar agua caliente para la disolución en lugar de agua fría?2. ¿Qué dos fuerzas se igualan cuando se consigue que el tapón de hule quede en la zona

intermedia del beaker ? A partir de ahí muestre el porqué de la igualdad de densidades paralograr el equilibrio.

3. ¿Por qué decimos que, para conseguir el objetivo de la experiencia, no debe el tapón de

hule sobresalir por encima de la superficie libre del agua? (Deberá analizar la ecuación presentada en la teoría resumida y mostrar qué dos fuerzas se igualan y, a partir de ahí,

dónde está la diferencia con el objetivo que persigue la experiencia)4. Supongamos que tenemos un pedazo de plastilina y un recipiente con agua, sí se simula

una bola, y se tira en el recipiente, ésta caerá hasta el fondo; Qué sucede sí simulamos unaforma cóncava, como un barco ¿Ésta caerá igual que al principio? Investigue ¿Por qué losbarcos (construidos con un material muy pesado como es el acero) son capaces de flotar?

5. Sí en vez de sal, se utilizara azúcar para formar la solución, ¿Se lograría comprobar elexperimento?

6. EXTRA Considera que hubiera sido factible la experiencia si la densidad del tapón de hule

hubiera sido mucho mayor que la del agua. Explique. (Deberá leer acerca desobresaturación en las disoluciones)

Ver.1_2016_OZ 12Abril2016

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