CURSO
: Laboratorio de física
INSTRUCTOR
: Atahua Wilfredo
INTEGRANTES : Velásquez Dávila, José Revilla, Will Orellana, Cesar- Barco, Juan - Egusquiza, E gusquiza, Ricardo –
CARRERA
: Tec. Ing. Mecánica
SEMESTRE
:1
–
Objetivos: *Estudiar como varia la altura de un líquido contenido en un tubo en “U” con la presión de aire originada por una jeringa hip odérmica conectada a él y obtener a partir de las mediciones de altura las presiones correspondientes. *Medir el empuje generado por un fluido (en este caso liquido) sobre los cuerpos que se sumergen en él. *Determinar la densidad de sólidos.
Fundamento teórico Presión La Presión atmosférica es el peso que ejerce el aire de la atmósfera como consecuencia de la gravedad sobre la superficie terrestre o sobre una de sus capas de aire. Como se sabe, el planeta tierra está formado por una presión sólida (las tierras), una presión liquida (las aguas) y una gaseosa (la atmósfera). La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve todo el planeta y está formado por mezcla de gases que en conjuntos llamamos aire, como todos los cuerpos, tiene peso, el cual ejerce una fuerza sobre la superficie terrestre es lo que llamamos presión atmosférica. La presión atmosférica varia, no siempre es igual en los diferentes lugares de nuestro planeta y nuestro país, ni en la diferente época del año. Como podemos ver la presión ejercida. Por lo atmosférica se debe al peso (P: mm.) de la misma su valor es de 1001.000 páscales que corresponde a la presión normal. Existen otras unidades para medir la presión y la equivalencia entre estos son: 101.000 P.a. = 1 atm = 760 mm Hg = 101 Mb
¿Cómo se mide? Para medir la presión consta con la ayuda de un aparato llamado Barómetro, que inventado por el físico italiano llamado Evangelista Torricelli en el año 1643. En meteorología se usa como unidad de medida de la presión atmosférica el Héctor Pascal (HPA). La presión normal sobre el nivel del mar son 1013,2 HPA. Para medir la presión atmosférica, se usa el barómetro. En meteorología se usa como unidad de medida de presión atmosférica el hectopascal (ha). La presión normal sobre el nivel del mar son 1013,2 ha. En el barómetro de mercurio su valor se expresa en términos de la altura de la columna de mercurio de sección transversal unitaria y 760mm de alto. Con base en esto decimos que una atmósfera (atm) estándar es igual a 760mm Hg (milímetros de mercurio). Utilizaremos como conveniencia la unidad Torrecilla (torr) como medida de presión; 1 torr= 1mm Hg, por lo que 1 atm=760 torr; por lo tanto 1 torr= 1/760 de una atmósfera estándar.
Factores de Variación La presión atmosférica varía por la acción de factores como la altura, temperatura y la humedad.
ALTURA: a mayor altura la presión disminuye y a menor altura, aumenta. Al ascender de aire soporta menor peso, el aire se expande y ejerce menor presión.
TEMPERATURA: el aire caliente pesa menos que el aire frío y tiende al elevarse, si observamos una olla con agua puesta al fuego, vemos como el vapor de agua sube (sube porque está caliente). Con altas temperaturas, el aire se calienta, se hace liviano, y asciende y origina baja presión. Con bajas temperaturas, el aire se enfría, se hace pesado, desciende y origina alta presión. Aquí se aplica la regla: a mayor altura, menor temperatura; a menor altura, mayor temperatura; es decir, si estamos en una montaña alta, hace frío, pues la temperatura es baja. Si estamos en el llano que es bajo, la temperatura es alta, es decir, hace mucho calor. La presión puede variar en un mismo lugar geográfico, de acuerdo con los cambios de temperatura que ocurra durante el día. En las zonas ecuatoriales, las temperaturas son altas y la presión atmosférica baja. En zonas polares existen bajas temperaturas por consiguiente la presión atmosférica es alta durante todo el año. En las zonas templadas la temperatura varía durante todo el año, por eso la presión también es variable: alta en invierno y baja en verano.
HUMEDAD: En lugares donde hay mayor humedad, hay menor presión y viceversa, si hay menor humedad, mayor presión; esta situación está estrechamente relacionada con la altura.
Empuje “Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo”.
Arquímedes El segundo principio importante de la estática de fluidos fue descubierto por el matemático y filósofo griego Arquímedes. La mayoría de las veces se aplica al comportamiento de los objetos en agua, y explica por qué los objetos flotan y se hunden y por qué parecen ser más ligeros en este medio. El concepto clave de este principio es el ‘empuje’, que es la fuerz a que actúa hacia arriba reduciendo el peso aparente del objeto cuando éste se encuentra en el agua. El principio de Arquímedes permite determinar la densidad de un objeto cuya forma es tan irregular que su volumen no puede medirse directamente. Si el objeto se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso será igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual al volumen del
objeto, si éste está totalmente sumergido. Así puede determinarse fácilmente la densidad del objeto.
Principio de Arquímedes Al sumergirse parcial o totalmente en un fluido, un objeto es sometido a una fuerza hacia arriba, o empuje. El empuje es igual al peso del fluido desplazado. Aquí se ilustra el principio en el caso de un bloque de aluminio y uno de madera. (1) El peso aparente de un bloque de aluminio sumergido en agua se ve reducido en una cantidad igual al peso del agua desplazada. (2) Si un bloque de madera está completamente sumergido en agua, el empuje es mayor que el peso de la madera (esto se debe a que la madera es menos densa que el agua, por lo que el peso de la madera es menor que el peso del mismo volumen de agua). Por tanto, el bloque asciende y emerge del agua parcialmente —desplazando así menos agua — hasta que el empuje iguala exactamente el peso del bloque. La fórmula para calcular el empuje es la siguiente:
Donde: E= empuje r= densidad de la sustancia que provoca el empuje (kg/m3) g= aceleración de la gravedad v= volumen de la sustancia que recibe el empuje (m3) Las unidades resultantes son N. El empuje es una fuerza y todas las fuerzas son medidas en Newtons
Equipo •
Jeringa hipodérmica.
•
Tubo en “U” conteniendo Hg.
•
Wincha, regla.
Vaso de precipitados.
•
•
Objetos sólidos, hilo.
Balanza, agua.
•
Procedimiento experimental: Parte 1 -Tome la jeringa hipodérmica y jale el embolo hasta llenarlo completamente de aire, anote el máximo volumen que pueda leer. -Conecte la jeringa hipodérmica a un extremo de la manguera (tubo en U) que contiene mercurio (tenga cuidado con este elemento no esté jugando). -Comience aplicando una fuerza sobre el embolo reduciendo el volumen de aire en la jeringa, anote el nuevo valor del volumen, así como el desnivel de mercurio producido en el tubo en “U”. Repita esta acción varias veces, como le indique su profesor. Llene el cuadro 1. VOLUMEN(cm°3)
6
8
10
12
14
16
ALTURA(cm)
10.9
14.6
17.8
20.9
24.1
27.6
Presión(Pa)
14542.3 19478.7 23748 27883.9 32153.2 36822.8
Parte 2 -Mida masa y longitudes de los sólidos recibidos(materiales) Calcule volumen, densidad y anótelos en el cuadro 2. MATERIAL 1
MATERIAL 2
MATERIAL 3
MASA(g)
15.019
10.73
46
LONGITUD(cm)
R=0.81
L=1.27
L=1.01
ALTURA(cm)
5.31
2.485
6
VOLUMEN(cm°3)
10.944
4.008
6.1206
DENSIDAD(g/cm°3)
1.371
2.677
7.515
Parte 3 Aplicando el principio de Arquímedes: -Mida el peso (PESO REAL) de los cuerpos (en el aire), anótelos en la tabla. -Luego mida el peso(APARENTE) cuando esté totalmente sumergido en agua, anótelos en la tabla. -Determine el empuje correspondiente para cada sólido y halle su densidad. MATERIAL
PESO REAL gf
N
PESO APARENTE gf
EMPUJE DENSIDAD
N
N
g/cm°3
Material 2
10.73 105.26 6.79
66.60
38.66
2.723
Material 1
15.01 147.24 4.223 41.39
105.85
1.391
CUESTIONARIO 1.Un cuerpo sumergido totalmente en un fluido recibe un empuje verticalmente hacia arriba. ¿Cómo harías para que el mismo cuerpo y en el mismo fluido varíe su empuje? No se puede. El empuje de un cuerpo sólo depende de la densidad del líquido en el que se sumerge el cuerpo, y del volumen que tenga el cuerpo sumergido en el susodicho líquido. La densidad y el empuje son dos magnitudes directamente proporcionales.
2. ¿Qué procedimiento seguirías para determinar la densidad de un sólido que flota en agua? (madera, por ejemplo), empleando el principio de Arquímedes. Lo mismo aplicado en la parte 3. -medimos el peso real del cuerpo. -medimos el peso aparente del mismo sumergido en agua. -determinamos su densidad de la resta del peso real con el aparente y este resultado lo dividimos entre el peso real.
3.En nuestro planeta existe un mar denominado el mar muerto. Averigüe porque se conoce con ese nombre y que implicancias tiene en la flotación de los cuerpos. Puedes flotar en el Mar Muerto con toda tranquilidad sin tener que esforzarte mucho, esto es debido a la alta densidad del agua salada donde el 25% del líquido son sales disueltas, 6 veces más que el agua de mar común. Sobre un cuerpo introducido en el agua actúan dos fuerzas, su peso (la fuerza con que lo atrae la Tierra) y el empuje (la fuerza que hace hacia arriba el agua). Cualquier sustancia más densa que el agua se hundirá porque el peso es mayor que el empuje. Si el empuje es mayor que el peso, en este caso, flotará y si son iguales, queda entre dos aguas. El empuje que sufre un cuerpo en un líquido equivalente al peso del líquido desalojado, depende de tres factores: la densidad del líquido en que está sumergido, el volumen del cuerpo que se encuentra sumergido y la gravedad. Cuando la sal se disuelve en agua la densidad de este aumenta, lo que hace que el empuje que sufre el objeto o cuerpo sea mayor y supere el peso del objeto o cuerpo por lo que éste flota.
De esta forma, se explica que sea más fácil flotar en el agua del mar que en el agua de ríos y piscinas porque el agua de mar tiene sal y otras sustancias disueltas en ella que la hacen más densa que el agua potable. El Mar Muerto, ubicado en la frontera de Israel y Jordania, es el agua más salado y denso del mundo. Casi el 25 por ciento del líquido de este mar son sales disueltas, más de seis veces la cantidad que tiene el agua de mar común. Debido al clima cálido, el agua que llega al Mar Muerto se evapora rápidamente, dejando a su paso la sal. La concentración de sal en el agua es tan alta que los únicos seres vivos que pueden habitar en ella son las bacterias. Las personas flotan sin esfuerzo en el Mar Muerto porque sus cuerpos son mucho menos densos que el agua salada. En el agua pesas menos porque tu cuerpo experimenta el empuje y pierde “aparentemente” peso. Las personas accidentadas recuperan el movimien to en el agua porque allí los ejercicios son fáciles. 4.El plomo tiene una densidad mayor que el hierro, y ambos son más densos que el agua. ¿La fuerza de flotación sobre un objeto de plomo es mayor que, menor que o igual a la fuerza de flotación sobre un objeto de hierro del mismo volumen? La fuerza de empuje es mayor con respecto al hierro. Por el principio de Arquímedes, ya que si el líquido o fluido en el cual se sumergirá el cuerpo es más denso la fuerza de empuje es mayor con respecto a la menos densa. Al igual que en la pregunta anterior sobre el mar muerto. Densidad y empuje son directamente proporcionales.
Cálculos y resultados En el cuadro 1 podemos apreciar que el volumen, altura y presión varían proporcionalmente en cada caso. Comprobando así la fórmula de la presión. En el cuadro 2 hallamos la densidad del solido mediante la división de la Masa entre el volumen. Y finalmente en la última tabla mediante el principio de Arquímedes, calculamos la densidad del sólido y la comparamos con la densidad del cuadro 2.Dandonos un margen de error(pero aproximándose mucho).
Observaciones y conclusiones: Las mediciones de la masa, y longitudes afectan nuestros cálculos para llegar hacia la densidad del cuerpo estudiado. Tanto la densidad calculada atreves de la presión y la densidad obtenida por el principio de Arquímedes nos debe dar un resultado igual. Si hubiese sido otro fluido distinto al agua, nos hubiese arrojado el mismo resultado, es decir la misma densidad para el sólido. Yaqué la densidad del solido seguiría siendo la misma mas no del líquido.
APLICACIÓN DEL PRINCIPO DE ARQUIMEDES EN LA MECANICA ¿Cómo funcionan los frenos hidráulicos de un automóvil? Sistemas de Frenado Los frenos son dispositivos que previenen cualquier tipo de colisión, por ello que los fabricantes dedican parte de su tiempo y esfuerzo al desarrollo de sistemas más efectivos, convirtiéndolos en elementos de seguridad activa más importantes en diseño y ensamblaje automotriz. A todos nos ha pasado, cuando vamos manejando a gran velocidad y de pronto encontramos un obstáculo a una escasa distancia, como; un auto descompuesto, alguna obra pública, se atraviesa un perro o algún auto nos rebasa de forma brusca, y la reacción en ese momento es pisar el freno. Una de los sistemas más importantes del auto es el sistema de frenado, ya que si lo analizamos fríamente, de éste depende nuestra vida, actuando de la mano con otros dispositivos de seguridad como; reguladores de distancia, radares anticolisión, conducción electrónica, detectores de temperatura y de luz, sistemas multi-airbags y frenos ABS, entre otros. Antiguamente los autos tenían solo tambores, un cilindro ancho que gira con la rueda, al presionar el pedal se mueve un sistema de resortes que hacen que unos metales toquen al tambor, esto produce un gran roce que frena al auto, pero estos al acumular calor pierden efectividad. Debido a la distribución de peso y su geometría, un auto debe frenar más adelante que atrás, por lo que al frente encontraremos los frenos de mayor efectividad y robustez. Los arreglos más comunes son los autos con disco adelante y tambor atrás. Los más costosos son los que utilizan discos en las cuatro ruedas. La mayoría de estos usan discos ventilados adelante y macizos atrás. Los frenos tienen como función desacelerar el giro de los neumáticos para lograr detener el vehículo. Desde los primeros sistemas colocados en las ruedas delanteras por la marca italiana Isotta Fraschini, en 1900, hasta los últimos avances como el sistema ABS que evita que los cauchos se deslicen, permitiendo mantener el control del vehículo aun en una situación extrema, los frenos han sido los encargados de prevenir accidentes o cualquier tipo colisión en calles y autopistas. Entre los principales sistemas de frenado, encontramos:
Frenos Mecánicos Consiste en un cable que al momento de ser presionado con el pie, transmite la potencia necesaria para detener el vehículo; el sistema dejó de ser funcional cuando potentes motores empezaron a desarrollar altas velocidades, requiriendo un gran esfuerzo físico para conseguir desacelerar el automóvil. El sistema
evolucionó en los frenos hidráulicos, que con un menor esfuerzo conseguían una potencia de frenado mucho mayor.
Frenos hidráulicos Están divididos en dos tipos de sistemas fundamentales: Sistemas hidráulicos y los basados en materiales de fricción. En los sistemas hidráulicos, cuando el freno del vehículo es presionado, un cilindro maestro dentro del motor, se encarga de impulsar líquido de frenos a través de un tubo hasta los frenos situados en las ruedas, la presión ejercida por el líquido produce la fuerza necesaria para detener el vehículo. Las pastillas, son piezas metálicas o de cerámica capaces de soportar altas temperaturas y son las encargadas de crear fricción contra una superficie fija (que pueden ser tambores ó discos), logrando así el frenado del vehículo; las balatas son piezas reemplazables que sufren de desgaste y deben ser revisadas y cambiadas en forma periódica.
Tipos de Frenos Hidráulicos Frenos de disco; consisten en un rotor sujeto a la rueda, y un caliper que sujeta las pastillas del freno. La presión hidráulica ejercida desde el cilindro maestro causa que un pistón presione las pastillas por ambos lados del rotor, esto crea suficiente fricción entre ambas piezas para producir un descenso de la velocidad o la detención total del vehículo.
Frenos de tambor; constan de un tambor metálico sujeto a la rueda, un cilindro de rueda, pastillas y resortes de regreso. La presión hidráulica ejercida desde el cilindro maestro, causa que el cilindro de rueda presione las pastillas contra las paredes interiores del tambor, produciendo el descenso de velocidad correspondiente. En la actualidad estos frenos, se utilizan en las ruedas traseras y con ciertos vehículos, ya que los frenos de disco gozan de una mayor fuerza de frenado por lo que se utilizan en la mayoría de los automóviles como frenos delanteros.
Frenos ABS Anti-Lock Brake System o Sistema Antibloqueo de Frenos, es un mecanismo instalado en el sistema de frenado de los vehículos que impide la inmovilización de las ruedas cuando el conductor aplica el freno de manera brusca. Cada una de las ruedas cuenta con un sensor que determina las revoluciones y detecta cuando alguna rueda disminuye la cantidad de giros en comparación con un valor predeterminado. El sistema ABS ordena la disminución de la fuerza del frenado e impide el bloqueo.
Freno de mano El freno de mano ó freno de estacionamiento, evita que un vehículo estacionado se ponga en movimiento por si solo, aun cuando este sistema puede ser utilizado, como freno de emergencia durante la marcha del vehículo. Consiste en una palanca o pedal que se encuentra al alcance del conductor; unida mediante un cable metálico a la leva de freno. Al accionarlo, las levas ejercen presión sobre las balatas de las ruedas traseras originando un frenado, que en caso de producirse mientras el vehículo está en movimiento, puede ser bastante brusco. Algunos expertos señalan que los frenos de discos pronto pasarán a la historia ya que cada día los fabricantes anuncian nuevos mecanismos, fruto de incontables horas dedicadas al desarrollo de sistemas de frenado originales. La ventaja de los nuevos sistemas, radica en su capacidad de repuesta sobre pavimentos húmedos o secos, la estabilidad en el frenado, el menor peso del conjunto y la larga vida de los discos. Los técnicos visualizan un promisorio futuro para los frenos de cerámica, ya que pueden montarse en el sistema actual, sustituyendo los discos y las pastillas de freno, sin que sea necesario cambiar los pistones, el mecanismo de servo u otros componentes del equipo de frenos.
Bibliografía: https://gabrielhdzc.wordpress.com/2010/10/01/fisica-ii-%C2%BFcomo-funcionanlos-frenos-hidraulicos-de-un-automovil/ http://www.monografias.com/trabajos32/pascal-arquimedes-bernoulli/pascalarquimedes-bernoulli.shtml
SEARS, Francis W., Mark W. Zemansky, Hugh D. Young y Roger Freedman
2009, Física Universitaria. Vol. 1. Decimosegunda edición. México D.F.: Pearson. SERWAY, Raymond y John Jewett 2008 Física para ciencias e ingeniería. Vol. 1. Sétima edición. México D.F.: Cengage Learning.
