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¿Qué es la flotabilidad? – Explicación y ecuación

Publicado el 12 octubre, 2020

¿Qué es la flotabilidad?

La flotabilidad es la capacidad o tendencia de un objeto a flotar en un fluido, que puede ser un líquido o un gas. Esto sucede porque la presión del fluido aumenta con la profundidad. La presión del fluido es la cantidad de moléculas de un fluido que golpean un objeto. Si vas bajo el agua, buceando cada vez más profundo, las moléculas se acercan cada vez más. Por eso te golpean más. Así que la presión aumenta a medida que avanzas. Si coloca un objeto bajo el agua, habrá más presión en la parte inferior del objeto que en la parte superior, porque la parte inferior está más profunda bajo el agua. Y esto crea una fuerza ascendente.

La fuerza hacia arriba que siente un objeto bajo el agua se llama fuerza de flotación . Pero, ¿cómo podemos predecir qué tan fuerte será esa fuerza? La fuerza se mide en newtons, entonces, ¿cómo podemos calcular cuántos newtons de flotabilidad sentirá un objeto?

Principio de Arquimedes

El principio de Arquímedes es cómo le damos un número a la fuerza de flotación. Dice que la fuerza de flotación sobre un objeto sumergido es igual al peso del líquido desplazado por ese objeto. ¿Qué significa esto?

Bueno, cada vez que pones un objeto bajo el agua, ese objeto está desplazando o reemplazando el agua que estaría allí si no lo hubieras sumergido. Un objeto más grande desplazará más agua que un objeto más pequeño. Si podemos tomar el agua que está desplazando y calcular la fuerza de gravedad que actúa sobre ella, sabremos qué tan fuerte será la fuerza de flotación hacia arriba sobre el objeto.

La fuerza de gravedad viene dada por la ecuación F = mg, donde m es la masa del objeto en kilogramos, yg es la aceleración debida a la gravedad, que es aproximadamente 9,8 metros por segundo en la superficie de la tierra. Así que solo necesitamos saber cuánto pesaría el agua desplazada en kilogramos, y podemos calcular la fuerza de flotación.

Para resolver problemas usando el Principio de Arquímedes, también necesitamos conocer la densidad. La densidad es una medida de cuán compacta es la masa de una sustancia u objeto. La densidad de un objeto o sustancia se puede calcular a partir de esta ecuación: la densidad en kilogramos por metro cúbico es igual a la masa en kilogramos, dividida por el volumen en metros cúbicos. Hablamos de la densidad con más detalle en otra lección.

La densidad del agua es de 1000 kilogramos por metro cúbico. Normalmente, en física, memorizar números no es realmente importante, pero este es un número muy útil porque normalmente no tenemos la masa del agua desplazada para conectarla a F = mg. Más a menudo conocemos el volumen de agua desplazada. Pero con volumen y densidad, podemos usar la ecuación de densidad para encontrar la masa del agua desplazada.

Problema de ejemplo

Veamos un ejemplo de cómo usar el Principio de Arquímedes. Digamos que tienes una pelota hecha de un material desconocido. Flota con exactamente la mitad de la bola en el agua y la mitad de la bola fuera del agua. Si la pelota tiene un volumen de 0.1 metros al cubo y la densidad del agua es 1000 kilogramos por metro al cubo, ¿cuál es la fuerza de flotación sobre la pelota?

Bueno, en primer lugar debemos escribir lo que sabemos. El volumen de la pelota, Vball, es de 0.1 metros cúbicos, y la densidad del agua, rho-water, es 1000. Y estamos tratando de encontrar Fb, la fuerza de flotación sobre la pelota.

Del principio de Arquímedes, sabemos que Fb será igual a la fuerza de gravedad sobre el agua desplazada. La fuerza de gravedad sobre el agua desplazada es igual a mg, donde m es la masa del agua desplazada yg es 9,8. Pero no conocemos la masa.

Entonces, primero tendremos que usar la ecuación de densidad. La densidad del agua es igual a la masa del agua dividida por el volumen de agua desplazada. ¿Cuál es el volumen de agua desplazada? Es la mitad del volumen de la bola: 0.1 dividido por 2 es 0.05. Entonces, el volumen de agua desplazado es 0.05 y la densidad del agua es 1000, como siempre. Si multiplicamos ambos lados por 1000, encontraremos que la masa del agua desplazada es igual a 0.05 multiplicado por 1000, lo que equivale a 50 kilogramos.

Así que ahora finalmente podemos encontrar la fuerza de flotación. La fuerza de flotación es igual a la masa del agua desplazada multiplicada por 9,8, que es 50 veces 9,8, que, si la escribe en una calculadora, resulta en 490 newtons. Entonces, la fuerza de flotación es de 490 newtons.

Y eso es; esa es nuestra respuesta!

Resumen de la lección

La flotabilidad es la capacidad o tendencia de un objeto a flotar en un fluido, que puede ser un líquido o un gas. Esto sucede porque la presión del fluido aumenta con la profundidad. La presión del fluido es la cantidad de moléculas de un fluido que golpean un objeto. A medida que te sumerges, buceando cada vez más profundo, las moléculas se acercan cada vez más. Por eso te golpean más. Así que la presión aumenta a medida que avanzas. Si coloca un objeto bajo el agua, habrá más presión en la parte inferior del objeto que en la parte superior, porque la parte inferior está más profunda bajo el agua. Y esto crea una fuerza ascendente.

La fuerza hacia arriba que siente un objeto bajo el agua se llama fuerza de flotación . El principio de Arquímedes es cómo le damos un número a la fuerza de flotación. Dice que la fuerza de flotación sobre un objeto sumergido es igual a la fuerza de gravedad sobre el líquido desplazado por el objeto.

Entonces, para encontrar la fuerza de flotación, necesitamos calcular la fuerza de gravedad sobre el líquido desplazado. La fuerza de gravedad viene dada por la ecuación F = mg, donde m es la masa del objeto en kilogramos, yg es la aceleración debida a la gravedad, que es aproximadamente 9,8 metros por segundo en la superficie de la tierra. Así que solo necesitamos saber cuánto pesaría el agua desplazada en kilogramos, y podemos calcular la fuerza de flotación.

Para encontrar la masa del agua desplazada, podemos usar la ecuación de densidad. La densidad es una medida de cuán compacta es la masa de una sustancia u objeto. La densidad de un objeto o sustancia se puede calcular a partir de esta ecuación: la densidad en kilogramos por metro cúbico es igual a la masa en kilogramos, dividida por el volumen en metros cúbicos. (Y, como referencia, la densidad del agua es de 1000 kilogramos por metro cúbico).

Los resultados del aprendizaje

Después de revisar esta lección, tendrá la capacidad de:

  • Definir flotabilidad
  • Describe la relación entre la flotabilidad y la presión del fluido.
  • Explica qué es el principio de Arquímedes y cómo encontrar la fuerza de flotación.
  • Identificar las ecuaciones para la fuerza de gravedad y densidad.
  • Recuerda la densidad del agua

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