La fuerza flotante
Quiero que pruebes un pequeño experimento. Encuentra una piscina y súbete a ella. Mientras estás bajo el agua, toma nota de lo fácil que es levantar todo el peso de tu cuerpo. ¡Puedes hacer saltos mortales, volteretas y saltar muy alto! Ahora, pruebe todas esas cosas fuera del agua. Es mucho más difícil levantarse así en tierra, ¿verdad? Esto se debe a algo que experimentas en el agua llamado fuerza de flotación , que es la fuerza ascendente de un fluido. La flotabilidad es un concepto fácil de entender si conoce un poco la presión en un fluido. En un fluido (ya sea un gas o un líquido), la presión aumenta con la profundidad. Entonces, cuando un objeto se sumerge en agua, lo que significa que está completamente en ese fluido, la presión en la parte inferior del objeto es mayor que en la parte superior. Esto crea una fuerza neta hacia arriba sobre el objeto, por lo que el objeto se mantiene a flote hacia arriba contra la gravedad. Cuando saltó a la piscina, la presión contra sus pies fue mayor que sobre su cabeza porque sus pies estaban más hundidos en el agua. Por lo tanto, la fuerza de flotación actuó hacia arriba, empujándolo hacia arriba y facilitando el levantamiento en el agua.
Principio de Arquimedes
¿Crees que es genial? ¡Se pone aún mejor! La fuerza de flotación no solo crea una elevación hacia arriba sobre un objeto en un fluido, sino que también es igual al peso del fluido desplazado por ese objeto. Esto fue descubierto por Arquímedes en el siglo III a. C., por eso lo llamamos Principio de Arquímedes . Nuevamente, es importante recordar que estamos hablando de fluidos, tanto líquidos como gases, como agua y aire. Imagina que tienes un vaso de agua lleno sobre el mostrador. Está tan lleno que si le pones algo más, el agua se derramará sobre la parte superior del vaso y sobre la encimera. Si tuviera que recoger el agua que se derrama, encontrará que este es el mismo volumen que el del objeto que puso en el vaso. Esto es lo que queremos decir con desplazar el fluido, y es una forma sencilla de medir el volumen de un objeto de forma irregular, ya que podemos medir fácilmente el fluido que empuja fuera del camino. Y recuerde, la fuerza de flotación es igual al peso de este fluido desplazado, NO al peso del objeto en sí. Esto significa que si el peso del objeto sumergido en sí es igual a la fuerza de flotación (el peso del fluido desplazado), el objeto no se hundirá ni flotará. Pero si el peso del objeto es mayor que la fuerza de flotación (el peso del fluido desplazado), entonces el objeto se hundirá. Y, si el peso del objeto es menor que la fuerza de flotación (¡aún el peso del fluido desplazado!), Entonces subirá a la superficie y flotará. Los peces no flotan ni se hunden porque su peso es igual a la fuerza de flotación. Pero una roca pesada se hunde hasta el fondo de un lago porque su peso es mayor que el del fluido que desplaza. Y un trozo de madera flota en la superficie porque su peso es mucho menor que el del fluido que desplaza.
Calculando el principio de Arquímedes
El principio de Arquímedes describe la relación entre la fuerza de flotación y el volumen del fluido desplazado, pero también la densidad del fluido desplazado. Podemos escribir este principio en forma de ecuación como: F B = ρ f V f g donde F B es la fuerza de flotación, ρ f es la densidad del fluido desplazado, V f es el volumen del fluido desplazado y g es la aceleración debida a la gravedad, 9,8 m / s 2 . Es muy importante recordar que la densidad y el volumen en esta ecuación se refieren al fluido desplazado, NO al objeto sumergido en él. Esta ecuación es útil porque puede usarla para determinar la fuerza de flotación sobre un objeto. Por ejemplo, digamos que sumerge un objeto en agua y encuentra que el objeto desplaza 1.0 litro de agua. El agua tiene una densidad de 1.0 kg / L, por lo que ahora tenemos todo lo que necesitamos para determinar la fuerza de flotación que actúa sobre el objeto sumergido porque tenemos el volumen y la densidad del fluido desplazado. En consecuencia, también tenemos el volumen del objeto porque este es el mismo volumen que el del fluido desplazado. Para calcular la fuerza de flotación, simplemente ingrese los números. Ahora nuestra ecuación dice: F B = 1.0 kg / L * 1.0 L * 9.8 m / s 2 . Una vez que hacemos los cálculos, encontramos que la fuerza de flotación es igual a 9,8 kg-m / s 2 , que es lo mismo que 9,8 Newtons. Si el peso del objeto es superior a 9,8 N, el objeto se hundirá. Si es inferior a 9,8 N, el objeto flotará. Pero si el peso del objeto es exactamente 9,8 N, entonces el objeto no se hundirá ni flotará porque es lo mismo que la fuerza de flotación.
Flotación
Ya hemos hablado de la flotación, pero los objetos flotantes son lo suficientemente especiales como para merecer un poco más de tiempo y explicación. ¿Alguna vez has visto un gran barco viajando por el agua? Flota en el agua, aunque es lo suficientemente pesado como para pensar que debería hundirse. En este caso, es la forma del objeto lo que determina si flotará o no. Si toma un barco de hierro completo y lo funde en un bloque sólido, ocupará menos volumen porque ocupa un área más pequeña. Pero esto también significa que desplaza un volumen menor de agua, lo que a su vez disminuye la fuerza de flotación. Un bloque de hierro se hundirá, pero un barco de hierro flotará porque su ancho fondo ocupa más espacio en el agua, desplazando más agua y peso y, por lo tanto, aumentando la fuerza de flotación que empuja hacia arriba contra él. De hecho, un objeto flotante desplazará un peso de fluido igual al peso del objeto. Esto se conoce como el principio de flotación , y los ingenieros lo tienen en cuenta al diseñar objetos que necesitan flotar. Ya sea un buque de carga gigante o un globo de aire caliente, el objeto debe desplazar un peso de fluido igual a su propio peso para flotar. Esto también significa que la fuerza de flotación será mayor en objetos en fluidos más densos que en fluidos que son menos densos. Es más probable que flote en agua salada que en agua dulce porque el agua salada es más densa que el agua dulce. Pero lo contrario también es cierto: los objetos menos densos flotan más fácilmente que los más densos. Por ejemplo, las mujeres flotan más fácilmente que los hombres porque los hombres son más musculosos (y por lo tanto más densos) que las mujeres. También puede probar esto con latas de refresco: una lata de refresco dietético flotará en el agua, pero una gaseosa normal se hundirá. Esto se debe a que el refresco dietético es menos denso que el refresco regular, por lo que la fuerza de flotación lo empuja hacia la superficie.
Resumen de la lección
Los objetos sumergidos en fluidos tienen fuerzas que actúan sobre ellos desde todos los lados, pero la fuerza hacia arriba en un fluido es especial, conocida como fuerza de flotación . Los objetos se elevan desde abajo porque la presión en un fluido aumenta con la profundidad, por lo que la fuerza en la parte inferior del objeto es mayor que en la parte superior. El principio de Arquímedes nos dice que la fuerza de flotación es igual al peso del fluido desplazado por un objeto. Si el peso del objeto es mayor que la fuerza de flotación (el peso del fluido desplazado), el objeto se hundirá. Si el peso del objeto es menor que la fuerza de flotación, el objeto flotará. Pero, si el peso del objeto es el mismo que el peso del fluido desplazado, entonces el objeto no se hundirá ni flotará. Los objetos flotantes son casos especiales porque desplazan un peso de fluido igual a su propio peso. Esto se conoce como el principio de flotación y nos dice por qué un bloque de hierro se hundirá, pero un barco de hierro ancho flotará en la superficie.
Los resultados del aprendizaje
Al final de esta lección, debería poder:
- Recordemos el principio de Arquímedes
- Explica el principio de flotación.
- Definir y calcular la fuerza de flotación
Continúa con:
- Administración
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