1 laboratorio de fluidos

Universidad del norte Laboratorio de física calor ondas Andrea Angulo código: 200030232 email: [email protected] Sindya Charris Codigo: 200012685 email: [email protected] Ronald Suerte Codigo: 200029073 email: [email protected] Luis Guzman Codigo: 200010245 email: [email protected]

[INFORME DE LABORATORIO] LABORATORIO] The objective of the study is to determine the density of different solids, in this case the density of an aluminum cylinder and a wooden object, using the principle of Archimedes in cases where the solid is completely submerged in water and when when the solid fleet in the water. water. El objetivo del trabajo es determinar la densidad de distintos sólidos, en este caso la densidad de un cilindro de aluminio y un objeto de madera, utilizando el principio de Arquímedes en los casos donde el sólido esté sumergido completamente en el agua y cuando el sólido flota en el agua.

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Informe de laboratorio Universidad del norte

1. INTRODUCCION

Cuando sumergimos un cuerpo u objeto en un líquido pareciera que su peso fuera menor, esto lo sentimos siempre que nos sumergimos en una piscina y también al momento que atrapar algo debajo del agua. Todo lo anterior ocurre debido a que un sólido sumergido en un fluido recibe una fuerza de empuje de abajo hacia arriba. Otro ejemplo común es cuando en un vaso que contiene contiene agua sumergimos un sólido sólido podemos apreciar que el nivel nivel del fluido en este caso el agua sube y si está lleno el vaso se derrama una cantidad de agua. Definimos fuerza de empuje a la fuerza que se ejerce cuando se sumerge un sólido en un fluido y que es igual al peso del fluido desplazado por el objeto.

1.2 OBJETIVOS •

•

•

Medir el “peso” de distintos sólidos, utilizando las herramientas que se encuentran en el laboratorio. Determinar la densidad de distintos sólidos utilizando los datos obtenidos en la práctica por medio del principio de Arquímedes. Comparar los resultados obtenidos en la práctica con los reales y obtener el margen de error










2. MARCO TEORICO El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que todo cuerpo sumergido parcial o totalmente en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba sobre el cuerpo igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo.

Figura 1.1 Fuerzas que actúan sobre un objeto dentro de un fluido fluido (Fuerza de empuje y peso).

El principio de Arquímedes se formula así:

Donde ρf es la densidad del fluido, V el volumen del cuerpo sumergido y g la aceleración de la gravedad, gravedad, así, la fuerza de empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar.

Fuerza de empuje Llamamos fuerza de empuje a la fuerza que ejercen los fluidos en los cuerpos que están sumergidos parcial o totalmente en el fluido. Esta fuerza es igual al peso del líquido desalojado.

Cuerpos sumergidos









Informe de laboratorio Universidad del norte Si queremos saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico , que es igual a su peso dividido por su volumen . Entonces, se pueden producir tres casos: 1. si el peso es mayor que el empuje ( P > E ), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del cuerpo es mayor al del líquido. 2. si el peso es igual que el empuje e mpuje ( P = E ), el cuerpo no se hunde ni emerge. El peso específico del cuerpo es igual al del líquido. 3. Si el peso es menor que el empuje ( P < E ), el cuerpo flota. El peso específico del cuerpo es menor al del líquido.

Figura 1.2 Cuerpos sumergidos: tres casos.

Densidad La densidad es una propiedad importante de cualquier material y se define como su masa por unidad de volumen.

La densidad de los cuerpos Densidad









Informe de laboratorio Universidad del norte porqué dos cuerpos de sustancias diferentes que ocupan el mismo volumen no tienen la misma masa o viceversa. Aun cuando para cualquier sustancia la masa y el volumen son directamente proporcionales, la relación de proporcionalidad es diferente para cada sustancia. Es precisamente la constante de proporcionalidad de esa relación la que se conoce por densidad y se representa de esta manera: m = cte · V es decir: m=·V A continuación las diferentes densidades de los elementos, de las cuales utilizaremos dos valores para llevar a cabo el desarrollo del laboratorio.

DENSIDAD DE ALGUNOS ELEMENTOS

Figura 1.3 Tabla de densidad de algunos elementos.









Informe de laboratorio Uni ersidad del

orte

TABLA DE DENSIDAD DE LA MA ERA

Pino Común............................ ...... Pino Negro.............................. ...... Pino- tea................................. ...... Albeto..................................... ....... Pinabette................................ ....... Alerce...................................... ..... Roble....................................... ..... Encina..................................... ..... Haya........................................ ..... Alamo..................................... ...... Olmo....................................... ...... Nogal...................................... ......

0.32 – 0.76 0.38 – 0.74 0.83 – 0.85 0.32 – 0.62 0.37 –0.75 0.44 – 0.80 0.71 – 1.07 0.95 – 1.20 0.60 – 0.90 0.45 – 0.70 0.56 – 0.82 0.60 – 0.81

3

Kg dm

3

Kg dm

3

Kg dm

Kg dm3 3

Kg dm

3

Kg dm

3

Kg dm

3

Kg dm

3

Kg dm

3

Kg dm

3

Kg dm

3

Kg dm

Figura 1.4 Tabla de densidad de la madera. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIM ENTAL El primer experimento que r alizamos fue en el que el objeto está sumergi o totalmente en agua y el sólido que flota s obre el agua Los sólidos que utilizamos para nuestra experiencia fueron un cilindro d aluminio, un objeto de forma irregular de madera y un contrapeso (plomada) par a la madera, recipiente con agua, sensor d e fuerza, balanza digital, calibrador pie de rey.

Foto 1: objeto metálico, recipiente con agua, objeto

Foto2: sensor de fuerza. Laborat orio. Física calor ondas universidad del norte.

Foto3: balanza digital. Laboratorio física calor ondas universidad del

Foto4: calibrador pie de rey. Laborat rio. Física calor ondas u iversidad del norte












orte

Caso 1: Solido sumergido complletamente en agua. Montaje del experimento (caso )

Se sor de

ensor de

fuerza

f uerza

Recipiente con Objeto de

agu

aluminio

Obj to de alu inio

Figura 2.2.1: sensor de fuerza, objeto metáli o laboratorio.

Figura 2.2.2: sensor de fuerza, objeto metálico, r cipiente con

Física calor ondas universidad del norte.

agua. Laboratorio física calor ondas universidad del norte

Medición del peso del sólido en el aire

Medición del peso en el agua

Lo primero que hicimos fue edir el cilindro de aluminio con un sensor de uerza tanto el aire como dentro de un reci piente con agua. Al medir el cilindro de aluminio en el aire ignoramos el empuje de aire ebido a que es muy mínimo, a diferencia de los fluidos. Con los datos obtenidos calc ulamos el volumen sumergido del sólido y su densidad con










orte

Caso 1.B

Objeto de

Pie de rey

aluminio

( alibrador)

Balanza

Objeto de

digital

aluminio

, objeto metálico. Laboratorio Laboratorio física Figura 2.3.1: balanza digital , calor ondas universidad del norte.

Medición del peso del objeto

Figura 2.3.2: pie de rey (calibrador) , objeto metálico. Laboratorio física calor ondas universidad del norte.

Medición del diámetro y la altur del objeto

En este caso utilizamos una alanza digital para medir el peso y un pie de rey para medir el diámetro y así hallar el volumen.

Caso 2: solido que flota sobre el agua. En este caso se utilizara un obje o de madera en lugar de un objeto metálico. Montajes del experimento (caso 2) Se sor de fuerza Sensor de










orte

Sensor de fuerza

Plomada

Figura 2.4.3: sensor de fuerza, plomada labo atorio. Física calor ondas universidad del norte.

Medición de la plomada sumerg ida en el agua

4. DATOS OBTENIDOS Los resultados obtenidos por medio de la práctica fueron los siguientes: Para el caso 1.A obtuvim s:










Para el caso 2 obtuvimos

Peso del objeto de madera en el aire

Peso del objeto de madera más el contrapeso en el agua.

Peso del contrapeso en el agua Figura 3.3 Tabla de peso para e l segundo experimento

5. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

CASO 1.A










1.3

 3

 ( ∗ (0.045 (0.045) ) ∗ 0.047) + 1.95 = 1 0.0038 + 1.95 = 1.953 = w1

(2)

Si comparamos (1) con (2) vemos que la diferencia es muy pequeña.

1.950  ≈ 1.953 

¿Importa la profundidad profundidad del sólido en el agua? No. Como sabemos, por el principio de Arquímedes, un cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido sufre una una fuerza de flotación flotación igual al peso del del fluido desplazado. Esto quiere decir que si sumergimos totalmente un cuerpo dentro de un fluido, no importa bajo que profundidad esté, la fuerza de flotación va a ser la misma, pues el volumen del cuerpo es el mismo y la densidad del fluido es constante para todos sus puntos. Luego:

 =  ∗  ∗ 

(1)

Vemos que la fuerza de flotación no depende de la profundidad, pero si dependerá si el cuerpo está parcial o totalmente sumergido, pues e l líquido desplazado será distinto para ambos casos.

¿Existe fuerza de empuje si el cilindro toca el fondo del contenedor del líquido? Si. La fuerza de flotación depende de la densidad del líquido y el volumen de éste desplazado por el objeto sumergido, luego, un objeto en el fondo del recipiente desplaza cierta cantidad de masa












Luego:

 +  = 

HALLANDO LA DENSIDAD DEL ALUMINIO CON LOS DATOS OBTENIDOS (Figura 3.1) CALCULAMOS EL VOLUMEN SUMERGIDO DEL SOLIDO Y SU DENSIDAD: ρF: densidad densidad del fluido VOB=volumen del solido T2= tensión 2









Informe de laboratorio Universidad del norte Reemplazo (3) en (1) tenemos: T2 + ρF.( 1.95N/./ ρob g).g – ρob.( 1.95N/./ ρob g ).g=0

(4)

Simplificando obtenemos:

T2 + ρF.( 1.95N/ρob) – 1.95N=0

;

donde: T2=1.24N

ρF.( 1.95N/ρob)= 1.95N – 1.24N

ρOB= ρF.( 1.95N)/ 1.95N – 1.24N

3

3

ρOB =(1*10 Kg/m )(1.95N))/ 1.95N – 1.24N









Informe de laboratorio Universidad del norte CASO 1.B Masa del objeto: objeto: 198.27g Diámetro=D=4.45cm Diámetro =D=4.45cm Altura=h=4.7cm Altura =h=4.7cm Para este caso utilizamos la ecuación: 2

V= πr h Entonces el volumen es: 2

V= π (4.45cm/2) (4.7cm) =73.09 cm

3

W= mg= 197304.6 Ρob= m/v 3

3

Ρob= W/vg=197304(gcm/s) / (73.09cm )(980cm/s)= 2.7126=2712 2.7126=2712 kg/m

Como hubo mayor exactitud en la medición del volumen del cilindro, este método para hallar la









Informe de laboratorio Universidad del norte W= peso de la madera= madera= 0.33N W*= peso del contrapesa V1= volumen de la madera V2= volumen del contrapesa ρF= densidad del fluido (agua) = 1x103 ρm= densidad de la madera t2= tension2 tension2= = 1.60 N t3=tensión t3=tensión 3= 3= 1.75 N

De (a) W1=0.33N= ρFV1g

(1)

De (b) T2 + v1 gρF + v2gρF – (W+W*) = 0









Informe de laboratorio Universidad del norte ρm= W ρF / t3 + W – t2 3

ρm = 0.33N (1x10 kg/m) / (1.75N + 0.33N – 1.60N) ρm= 687.5 kg/m

Aquí vemos que la densidad obtenida se encuentra dentro del rango de densidades para madera de la Figura 1.4

PREGUNTAS

¿Qué efecto tiene la densidad sobre un cuerpo total o parcialmente sumergido en un líquido? La densidad del objeto influye en la flotabilidad del cuerpo. Por ejemplo, colocamos un objeto de densidad ρo en un líquido de densidad ρl, se pueden dar los siguientes casos

 = ρl ∗ g ∗ V

y

 = ρo ∗ g ∗ V











Informe de laboratorio Universidad del norte Aplicando el principio de Arquímedes a los submarinos nos podemos dar cuenta que: todo submarino a flote experimenta un empuje hacia arriba igual en magnitud al peso del volumen de agua desalojado por el submarino. Ahora bien, el peso del submarino, incluyendo equipos y personas debe ser menor a esa fuerza de empuje para que así pueda flotar.

Figura 4.4 Fuerzas que actúan sobre un submarino, donde F es la fuerza de empuje, y W es el peso del submarino.










6. CONCLUSIONES

Haciendo este informe de laboratorio sobre la estática en fluidos pudimos establecer y determinar la densidad de un sólido en diferentes casos utilizando el principio de Arquímedes de manera correcta, reconociendo que todo objeto sumergido parcial o totalmente experimenta un fuerza de empuje igual al peso del fluido desplazado por dicho objeto.










7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

•

http://www.monografias.com/trabajos32/pascal-arquimedes-bernoulli/pascalarquimedes-bernoulli.shtml#Principio_de_Arqu%C3%ADmedes

•

http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Arqu%C3%ADmedes

•

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/ArquimedesEmpuje.htm

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