¿Qué es la fuerza de flotación?
¿Alguna vez has visto barcazas flotando río abajo? Estos enormes barcos transportan cargas gigantes de carga, incluso objetos pesados como automóviles. ¿Cómo se mantienen a flote barcos como estos cuando pequeñas piedras se hunden en los estanques?
La razón por la que los barcos pueden flotar pero no las piedras se debe a la fuerza de flotación. La fuerza de flotación es la fuerza ascendente que actúa sobre un objeto en el agua. Si la fuerza de flotación es mayor que la fuerza que empuja hacia abajo sobre un objeto, o la fuerza debida a la gravedad, entonces el objeto flotará.
La probabilidad de que un objeto flote depende de:
- Densidad del líquido, o cuánta masa hay por unidad de área
- Volumen del líquido desplazado por el objeto
- Peso del objeto
Si un objeto ligero puede desplazar una gran cantidad de líquido, tendrá una fuerza de flotación mayor que la fuerza debida a la gravedad, por lo que flotará, como los barcos. Los barcos se llenan de aire. Si un bote es grande y plano, desplaza mucha agua, por lo que la fuerza de flotación es mayor que la fuerza debida a la gravedad, y el bote flota.
La fórmula que usamos para calcular la fuerza de flotación es la densidad del líquido ( p ) multiplicada por la aceleración debida a la gravedad ( g ) multiplicada por el volumen del fluido desplazado ( V fluido ). En otras palabras:
Flotabilidad: Definición, ecuación y experimento
F b = pgV fluido
Ejemplo 1: cálculo del volumen
Para empezar, practiquemos el cálculo del volumen del fluido desplazado. Para calcular el volumen, necesitamos conocer la forma del objeto y ciertas características del mismo. Comencemos con un cilindro. La fórmula para el volumen de un cilindro es:
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Imagínese a un niño flotando en un cubo cilíndrico en una piscina. El balde tiene un radio de 0,05 my 0,1 m del balde están sumergidos bajo el agua. ¿Cuál es el volumen de fluido desplazado por el balde?
Ya que estamos tratando de calcular el volumen de un cilindro, podemos usar la fórmula que acabamos de ver:
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Simple, ¿verdad?
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Ejemplo 2: Cálculo de la fuerza de flotación
Ahora que sabemos cómo calcular el volumen, podemos practicar el cálculo de la fuerza de flotación. La densidad de cualquier material es una propiedad conocida, por lo que probablemente no se le pedirá que resuelva la densidad. Por ejemplo, la densidad del agua es de 1000 kg / m 2 .
Conociendo la densidad del agua, ¿cuál es la fuerza de flotación que actúa sobre el balde utilizado en nuestro primer ejemplo?
Volvamos a nuestra ecuación de densidad:
F b = pgV fluido
El valor de la aceleración debida a la gravedad ( g ) es siempre 10 m / s 2 .
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F b = 1000 kg / m 3 * 10 m / s 2 * 0,00078 m 3 = 7,8 N
Recuerde incluir siempre sus unidades. La fuerza se mide en Newtons (N), la masa en kilogramos (kg) y cualquier medida de longitud en metros (m).
Ejemplo 3: ¿Flotará el objeto?
Por experiencia personal, la mayoría de nosotros sabemos que un balde de plástico flotará en una piscina, pero ¿podemos probar esto usando la fórmula de flotabilidad? Para decidir si un objeto flotará, debe comparar la fuerza de flotación que lo empuja hacia arriba con la fuerza gravitacional que lo empuja hacia abajo.
Digamos que el cubo tiene una masa de 0,25 kg. Conocemos la fuerza de flotación del problema anterior: 7.8N. Ahora necesitamos calcular la fuerza debida a la gravedad usando la tercera ley de Newton:
F g = mg
F g = 0,25 kg * 10 m / s 2
F g = 2,5 N
Entonces, ¿flotará el cubo? La respuesta es sí, porque la fuerza de flotación (7,8 N) es mayor que la fuerza debida a la gravedad (2,5 N).
Ejemplo 4: cálculo de la fuerza
A veces, los ingenieros pueden querer saber cuánta masa puede soportar un barco antes de hundirse. Podemos resolver este problema usando la fórmula de flotabilidad. El primer paso es averiguar cuánta fuerza de flotación actúa hacia arriba en el barco.
Por ejemplo, imagine que los ingenieros quieren crear un barco de carga rectangular que tenga una longitud de 15 m, una altura de 3 my una anchura de 6 m. Cuando se sumerge en el agua, el barco debe mantenerse al menos 1 m por encima del agua. Como recordatorio, la densidad del agua es de 1.000 kg / m 3 . Para calcular la fuerza de flotación, necesitamos el área del agua desplazada, la densidad del agua y el valor de la gravedad. Como este problema no nos da el área, debemos resolverlo.
Dado que el bote es un rectángulo, el volumen es igual a la altura multiplicada por la longitud multiplicada por el ancho ( hlw ). La altura del barco es de 3 m, pero recuerde que solo necesitamos usar la altura del barco sumergido. Por lo tanto, si 1 m debe permanecer por encima del agua y el barco tiene una altura total de 3 m, el barco puede sumergirse hasta 2 m por debajo del agua.
V = 15 m * 2 m * 6 m = 180 m 3
Ahora, podemos usar la fórmula de flotabilidad:
F b = pgV fluido
F b = 1.000 kg / m 3 * 10 m / s 2 * 180 m 3 = 1.800.000 N
Para que el barco se mantenga a flote, la fuerza debida a la gravedad debe ser igual o menor a 1.800.000N. ¿Cuánta masa puede soportar el barco?
F g = mg
m = F / g
m = 1.800.000 N / 10 m / s 2
m = 180.000 kg
Este barco soportará bastante peso, incluso después de tener en cuenta el casco de metal. Ahora los ingenieros saben exactamente cuánto peso se puede transportar con seguridad en el barco.
Resumen de la lección
La fuerza de flotación es la fuerza hacia arriba que ejerce un objeto cuando está sumergido. Para que un objeto flote, la fuerza de flotación debe ser mayor o igual a la fuerza debida a la gravedad o al peso del objeto. La fuerza de flotación se puede calcular multiplicando la densidad del líquido por gravedad por el volumen de fluido desplazado:
F b = pgV fluido
La fuerza debida a la gravedad se puede calcular con la tercera ley de Newton utilizando la aceleración debida a la gravedad:
F g = mg
Quizás empiece a pensar en estas fórmulas la próxima vez que vea barcazas flotando río abajo.
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