Practica No 1 Principio de Arquímedes

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Practica No.1 “Principio de Arquímedes”
OBJETIVOS
I. Objetivo General: El alumno comprobará
experimentalmente el principio de Arquímedes,
determinará la magnitud de la fuerza de empuje
hidrostático, el volumen desplazado por un cuerpo
sumergido y la densidad del fluido.
Objetivo (Competencia): Esta competencia pretende
desarrollar el pensamiento científico en los alumnos, a través
de la observación, la experimentación, el análisis y la
argumentación, promoviendo el uso de las habilidades
necesarias para llevar acabo la aplicación de los conocimientos,
adquiridos teórica y experimentalmente.
II. Objetivos específicos: 
1. Aplicará conocimientos básicos para determinar la
magnitud de la fuerza de empuje hidrostático.
2. Calculará el volumen de un cuerpo sumergido en un fluido
aplicando el principio de Arquímedes.
3. Calculará la densidad de un fluido aplicando el principio de
Arquímedes.
SUSTENTO TEÓRICO
HIDROSTÁTICA
La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que
estudia los fluidos en estado de reposo; es decir, sin que
existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Su
contrapartida es la hidrodinámica, que estudia los fluidos en
movimiento. Reciben el nombre de fluidos aquellos cuerpos que
tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que
los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez.
Son fluidos tanto los líquidos como los gases, y su forma puede
cambiar fácilmente por escurrimiento debido a la acción de
fuerzas pequeñas. Los principales teoremas que respaldan el
estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el
principio de Arquímedes.
ESTADOS FÍSICOS DE LA MATERIA 
Estado sólido: es el estado más estable ya que es resistente a
la compresión por lo que no cambia de forma y tiene volumen
constante. Al ser la fuerza de cohesión mayor que la de
repulsión, las moléculas están muy juntas y ordenadas y sólo
pueden realizar movimiento vibratorio.
Estado líquido: la fuerza de repulsión es igual, en intensidad,
a la cohesión y las moléculas que lo forman están más
separadas y los espacios que existen entre ellas hacen posible
que se muevan con cierta libertad, “resbalándose” unas sobre
otras. Los cuerpos es este estado no son muy compresibles, no
se expanden, tienen forma variable adaptándose a la del
recipiente que lo contiene y su volumen es constante.
Estado gaseoso: la fuerza de repulsión es mucho mayor que
la cohesión y las moléculas se mueven rápidamente, en todas
las direcciones, alejándose unas de otras y por eso su densidad
es mucho menor que la de los líquidos y los sólidos. En este
estado, un cuerpo puede ser comprimido y puede expandirse,
no tienen forma propia ni volumen definido.
Fig.10.1 “representación de las moléculas en los estados físicos
de la materia”
ANTECEDENTES HISTORICOS DEL PRINCIPIO DE
ARQUÍMEDES 
La anécdota más conocida sobre Arquímedes, matemático
griego, cuenta cómo inventó un método para determinar el
volumen de un objeto con una forma irregular. De acuerdo a
Vitruvio, arquitecto de la antigua roma, una nueva corona con
forma de corona triunfal había sido fabricada para Hieron II,
tirano gobernador de Siracusa, el cual le pidió a Arquímedes
determinar si la corona estaba hecha de oro sólido o si un
orfebre deshonesto le había agregado plata. Arquímedes tenía
que resolver el problema sin dañar la corona, así que no podía
fundirla y convertirla en un cuerpo regular para calcular su
densidad. Mientras tomaba un baño, notó que el nivel de agua
subía en la tina cuando entraba, y así se dio cuenta de que ese
efecto podría usarse para determinar el volumen de la corona.
Debido a que la compresión del agua sería despreciable, la
corona, al ser sumergida, desplazaría una cantidad de agua
igual a su propio volumen. Al dividir la masa de la corona por el
volumen de agua desplazada, se podría obtener la densidad de
la corona. La densidad de la corona sería menor si otros
metales más baratos y menos densos le hubieran sido
añadidos. Entonces, Arquímedes salió corriendo desnudo por
las calles, tan emocionado estaba por su descubrimiento para
recordar vestirse, gritando "eureka" La historia de la corona
dorada no aparece en los trabajos conocidos de Arquímedes,
pero en su tratado Sobre los cuerpos flotantes él da el principio
de hidrostática conocido como el principio de Arquímedes. Este
plantea que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta
un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de
fluido desalojado es decir dos cuerpos que se sumergen en una
superficie (ejemplo: agua), y el más denso o el que tenga
compuestos más pesados se sumerge más rápido, es decir,
tarda menos tiempo, aunque es igual la distancia por la
cantidad de volumen que tenga cada cuerpo sumergido.
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
Arquímedes estableció que: “Todo cuerpo sumergido en un
líquido recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso
del líquido desalojado.” Esta fuerza recibe el nombre de empuje
hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newton (en el SI) y
se expresa de la siguiente manera:
Ec.10.1.”Empuje hidrostático” Fb=mf g 
Donde:
Fb empuje hidrostático en newton
mf masa del fluido
g gravedad
Cuando un fluido flota en un fluido, la magnitud Fb del empuje
hidrostático, que actúa sobre el cuerpo es igual a la magnitud
Fg de la fuerza gravitacional del cuerpo.
Ec.10.2.”Principio de Arquímedes” Fb=WR – WA
Donde:
Fb empuje hidrostático en newton
WR Peso real en newton
WA Peso aparente en newton
Cuando se desea calcular el peso aparente depende de la
densidad de fluido y del volumen del fluido como se menciona
en la siguiente ecuación:
Ec.10.3. Fb= pVg
Donde:
Fb empuje hidrostático 
p densidad del fluido
V volumen desplazado 
g gravedad 
Fig.10.3. “Ejemplo del principio de Arquímedes” 
FUERZA DE EMPUJE HIDROSTÁTICO 
El empuje hidrostático, viene del hecho de que la presión de un
fluido aumenta con la profundidad y del hecho de que esta
presión aumentada, se ejerce en todas las direcciones
(Principio de Pascal) de modo que hay una fuerza neta de
desequilibrio hacia arriba, ejercida sobre el fondo del objeto
sumergido.
Fig.10.4. “líneas de fuerza de un objeto sumergido”
DENSIDAD DEL FLUIDO 
En física y química, la densidad (símbolo ρ) es una magnitud 
vectorial referida a la cantidad de masa en un determinado 
volumen de una sustancia. La densidad media es la 
razón entre la masa de un cuerpo y el volumen 
que ocupa.
 Ec.10.4. “densidad” 
Donde:
p es la densidad 
m masa del objeto 
v volumen del objeto 
VOLUMEN DEL OBJETO 
En química general el dispositivo de uso más frecuente para
medir volúmenes es la probeta. Cuando se necesita más
exactitud se usan pipetas o buretas. Las probetas son
recipientes de vidrio graduados que sirven para medir el
volumen de líquidos (leyendo la división correspondiente al
nivel alcanzado por el líquido) y sólidos (midiendo el volumen
del líquido desplazado por el sólido, es decir la diferencia entre
el nivel alcanzado por el líquido solo y con el sólido sumergido).
Fig.10.5.” ejemplo de volumen de un objeto”
REPRESENTACIÓN VECTORIAL DE LAS FUERZAS QUE
ESTÁN PRESENTES EN UN CUERPO QUE SE SUMERGE EN
UN FLUIDO
Fig.10.6. “vectores presentes en un fluido sumergido”
CASOS DE FLOTACIÓN O HUNDIMIENTO 
Los barcos flotan porque su parte sumergida desaloja un
volumen de agua cuyo peso es mayor que el peso del barco.
Los materiales con los que está construido un barco son más
densos que el agua. Pero como el barco está hueco por dentro,
contiene una gran cantidad de aire. Debido a ello la densidad
promedio del barco es menor que la del agua.
Debido a que, para que un objeto flote, la fuerza de flotación
sobre el cuerpo debe ser igual al peso del fluidodesplazado, los
fluidos más densos ejercen una fuerza de empuje más grande
que los menos densos. Por lo anterior, un barco flota más alto
en agua salada que en agua dulce porque la primera es
ligeramente menos densa.
Un submarino normalmente flota. Para un submarino es más
fácil variar su peso que su volumen para lograr la densidad
deseada. Para ello se deja entrar o salir agua de los tanques de
lastre. De manera semejante, un cocodrilo aumenta su
densidad promedio cuando traga piedras. Debido al aumento
de su densidad (por las piedras tragadas), el cocodrilo puede
sumergirse más bajo el agua y se expone menos a su presa.
Para que una persona flote en el agua con más facilidad, debe
reducir su densidad. Para efectuar lo anterior la persona se
coloca un chaleco salvavidas, provocando con ello aumentar su
volumen mientras que su peso aumenta muy poco, por lo cual,
su densidad se reduce.
Un pez normalmente tiene la misma densidad que el agua y
puede regularla al extender o comprimir el volumen de una
bolsa con la que cuenta. Los peces pueden moverse hacia
arriba al aumentar su volumen (lo que disminuye su densidad)
y para bajar lo reducen (lo que aumenta su densidad).
COMO AFECTA LA PRESIÓN DEL LÍQUIDO A UN OBJETO
SUMERGIDO 
Un fluido en reposo en contacto con la superficie de un sólido
ejerce fuerza sobre todos los puntos de dicha superficie. Si
llenamos de agua una botella de plástico con orificios en sus
paredes observamos que los chorritos de agua salen en
dirección perpendicular a las paredes. Esto muestra que la
dirección de la fuerza que el líquido ejerce en cada punto de la
pared es siempre perpendicular a la superficie de contacto.
En el estudio de los fluidos, resulta necesario conocer cómo es
la fuerza que se ejerce en cada punto de las superficies, más
que la fuerza en sí misma. Una persona acostada o parada
sobre una colchoneta aplica la misma fuerza en ambos casos
(su peso). Sin embargo, la colchoneta se hunde más cuando se
concentra la fuerza sobre la pequeña superficie de los pies. El
peso de la persona se reparte entre los puntos de la superficie
de contacto: cuanto menor sea esta superficie, más fuerza
corresponderá a cada punto.
APLICACIONES DEL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES 
Aplicaciones del Principio de Arquímedes de sólidos en líquidos:
-Los barcos de superficie están diseñados de manera que el
metacentro quede siempre por encima del centro de gravedad
en caso de que se muevan o desplacen lateralmente.
-El submarino en cambio no cambia de volumen pero sí de
peso, adquiere agua para sumergirse y la expulsa con aire para
disminuir su peso y subir.
-Aplicado en la construcción de flotadores salvavidas,
aprovechando la baja densidad del material del flotador.
Aplicaciones del Principio de Arquímedes a los Gases
Del mismo modo que sucede con los líquidos podemos decir
que: Todo cuerpo sumergido en un gas, experimenta un
empuje hacia arriba igual al peso del volumen de gas que
desaloja Por tanto se producen las mismas fuerzas que en el
agua: la fuerza de empuje para ascender y la fuerza contraria
que es su peso. Si se consigue que la fuerza de empuje sea
mayor que el peso, el cuerpo flota.
-Este principio se aplica a los globos que están llenos de un gas
menos pesado que el aire: el caso de los globos aerostáticos.
.
Fig.10.7. “Ejemplos de aplicaciones del principio de pascal”
Experiencia 2 
 En un marco metálico, coloque 
un dinamómetro de escala 1-5 
Newton.
Sujete el cubo de madera de 
arista conocida al dinamómetro y 
mida el peso real del cubo, 
anotar el valor en la Tabla 3.
Introduzca el cubo en un vaso 
con agua, mida el peso aparente 
del cubo en agua.
Coloque, sobre el cubo, un peso 
x, para que esté se sumerja 
completamente en agua.
Determinar experimentalmente el
volumen desplazado, registre el 
valor en la Tabla 3.
Calcular el peso x sobre el cubo y
anotar el valor en la Tabla 4
DIAGRAMAS DE FLUJO
Experiencia 1
En un marco metálico, coloque 
un dinamómetro de escala 1 - 5 
Newton. Sujete un cuerpo de 
volumen desconocido al 
dinamómetro y mida su peso 
real, anota el valor en la Tabla 1
Ahora introduzca el cuerpo en el 
vaso No. 2 que contiene el fluido 
desconocido, mida el peso 
aparente del cuerpo y el volumen
desplazado del fluido 
desconocido, registrar los valores
en la Tabla 1
Medir 500 mL de agua en el 
vaso de precipitados y 
etiquetarlo con el No. 1, en 
seguida mida 500 mL del 
fluido desconocido y etiqueta 
el vaso con el No. 2.
Introduzca el cuerpo totalmente 
en el vaso de precipitado con 
agua, mida el peso aparente de 
éste en el agua y el volumen 
desplazado del fluido 
desconocido, registrar los valores
en la Tabla 1.
A partir del peso real y aparente 
del cuerpo, calcule el empuje 
hidrostático para los dos fluidos
Determinar experimentalmente la
densidad del fluido desconocido, 
Tablas 1 y 2