Estabilidade
29 Mar, 2013
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PDFDun flotador
PRESENTACIÓN: O principio de Arquímedes establece que se un corpo está total ou parcialmente mergullado nun fluído, este exerce unha forza cara arriba sobre o corpo igual ao peso do fluído desprazado polo mesmo.
- Two Experimental Approaches of Looking at Buoyancy, J. Agostinho Moreira, A. Almeida, and P. Simeão Carvalho, Phys. Teach. 51, 96 (2013)
- Just What Did Archimedes Say About Buoyancy?, Erlend H. Graf, Phys. Teach. 42, 296 (2004)
INTRODUCIÓN: A flotación é un fenómeno moi coñecido: un corpo mergullado en auga parece pesar menos que no aire. Se o corpo é menos denso que o fluído, entón flota. Un obxecto flotante está sometido a dúas forzas: o seu peso, que actúa no centro de masa e unha forza de pulo, a cal actúa no centro de pulo, que se atopa no centro xeométrico do volume que está mergullado.
OBXECTIVO: Comprobar a estabilidade dun obxecto ante varias perturbacións.
MATERIAIS: unha bandexa de catro ou máis polgadas de profundidade, un vaso con tapa, moedas de 20 céntimos.
MONTAXE: Énchese a bandexa de auga e no vaso de plástico introdúcense moedas no interior e/ou na tapa, dependendo do experimento a realizar. Finalmente colócase o vaso na auga e xa podemos comprobar a estabilidade do obxecto.
EXPLICACIÓN: O equilibrio dun obxecto flotante é estable se leves perturbacións no estado do obxecto fan que o peso e o pulo produzan un momento de rotación restaurando a orientación do obxecto e devolvéndoo ao seu estado de equilibrio inicial, o que sucede só se o centro de masa atópase por baixo do centro de pulo. Se o obxecto é apenas estable, os centros de masa e pulo case coinciden. Estes conceptos poden aplicarse no cálculo de flotabilidade de embarcacións, e modificación desta flotabilidade por estiba de cargas.
CONCEPTOS: pulo, flotabilidade, estabilidade, centro de masas, principio de Arquímedes.
MÁIS INFORMACIÓN:
- WIKIPEDIA
- SCHLUMBERGER EXCELLENCE IN EDUCATIONAL DEVELOPMENT
- UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA
- YOUTUBE 1
- YOUTUBE 2
- YOUTUBE 3
- PhET
TEXTOS:
- Tipler P.A. Física, Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W. Jewett. Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
ALUMNADO 2011-2012: Silvia Diz, Alejandra Victoria Dubra, María Durán, Sonia Fariña
ENLACE pdf ALUMNADO (en castelán):
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El principio de Arquímedes es el que regula el funcionamiento del termómetro de Galileo. Consiste en un tubo de vidrio relleno de un compuesto con coeficiente de dilatación menor que el agua y un conjunto de ampollas de vidrio soplado con placas indicadoras de la temperatura. Al variar la temperatura ambiente, la densidad del líquido varía y provoca una modificación la flotabilidad de las ampollas.
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Un experimento de flotabilidad muy ilustrativo del principio de Arquímedes, sencillo de realizar en clase y que nos permite observar con claridad como el objeto flota cuando su peso es menor o igual al peso del fluido desplazado. “Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido recibe un empuje hacia arriba (ascendente) igual al peso del fluido que desaloja”, dice el principio de Arquímedes. Este princioio es uno de los descubrimientos más notables que nos legaron los griegos y cuya importancia y utilidad son extraordinarias, fue el primero que estudio el empuje vertical hacia arriba ejercido por los fluidos.
Un pedazo de madera flota en el agua, sin embargo, un pedazo de fierro se hunde. ¿Por qué ocurre esto? Los peces se desplazan en el agua sin flotar ni hundirse, controlando perfectamente su posición. ¿Cómo lo hacen? Todo tiene relación con la fuerza de empuje hacia arriba (ascendente), que recibe todo cuerpo que se encuentra sumergido en agua o en cualquier otro fluido. Cuando levantas un objeto sumergido en el agua, te das cuenta que es más fácil levantarlo que cuando no se encuentra dentro del agua, esto se debe a que el agua y los demás fluidos ejercen una fuerza hacia arriba sobre todo cuerpo sumergido dentro del fluido, denominada fuerza de flotación o fuerza de empuje (E), esta fuerza es la que hace que un objeto parezca más ligero.
Además, en el experimento se puede observar que la estabilidad en el equilibrio de un objeto flotante sucede sólo cuando el centro de masa se encuentra por debajo del centro de empuje. Dicha explicación nos sirve para explicar, entre otras cosas, la flotabilidad de las embarcaciones.
El principio de Arquímedes ( si un cuerpo está total o parcialmente sumergido en un fluido, éste ejerce una fuerza hacia arriba sobre el cuerpo igual al peso del fluido desplazado por el mismo), nos sirven para explicar ¿Por qué flotan los barcos?
Cuando se sumerje un barco, desplaza un volumen de agua (en función de la forma geométrica del barco, este volumen será mayor o menor), este volumen de agua tendrá un peso, dando lugar a una fuerza de empuje mayor (del agua hacia arriba) que hace que el barco flote.
Se trata de un ejemplo muy gráfico y clarificador sobre el principio de Arquímedes. En el siguiente enlace, se puede observar la flotabilidad de un líquido dentro de otro, y la influencia que tiene en esta propiedad, la variación de densidad del líquido en el que flota, respecto al líquido en el que está flotando. Además, se visualiza claramente que la forma natural de los líquidos (en ausencia de la influencia de la gravedad) es esférica, lo que sin duda llamará la atención de los alumnos.
Este principio demostrado de forma tan sencilla tiene unas implicaciones muy importantes en el diseño de embarcaciones. La relación de los centros de gravedad-empuje (incluye el principio de Arquímedes) es vital en el diseño de los buques.
Si alguno de los parámetros descritos está mal calculando entonces el barco tendrá problemas de estabilidad y no podrá navegar, como por ejemplo que presente un equilibrio neutro.
Por otro lado la estiba correcta de la carga es primordial para garantizar la estabilidad del buque en el mar, ya que la carga baja el centro de gravedad y cambia el centro de gravedad a lo largo del buque pudiendo desestabilizarlo. Por ello es necesario que cuando se estiba la carga en un buque se comience por la parte más baja y con la carga más pesada, y a la inversa para descargar el buque. Por último, también hay que destacar que el buque se va a mover significativamente respecto al plano horizontal en mar abierto y que por ello es primordial que durante la estiba del buque asegurar la carga para que no se desplace con el movimiento del mar.
Otra de las aplicaciones del principio de Arquímedes se ve cuando los submarinos llevan aire comprimido en válvulas, esas hacen que se hunda por que ocupan poco volumen (desplazan poca agua) y su peso es mayor al de el empuje del agua, en cambio al descomprimir el volumen del aire este aumenta y su peso es menor siendo ayudado con que el empuje del agua es mayor al aumentar su volumen. Enlace interesante a una explicación sobre el principio de Arquímedes.
Es importante hacer notar que la fuerza de empuje no depende del peso del objeto sumergido, sino solamente del peso del fluido desalojado, es decir, si tenemos diferentes materiales (acero, aluminio, bronce), todos de igual volumen, todos experimentan la misma fuerza de empuje.
Los peces también emplean este principio para mantener su flotabilidad, un pez normalmente tiene la misma densidad que el agua y puede regularla al extender o comprimir el volumen de una bolsa (vejiga natatoria) 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).
Un cuerpo en un fluido es considerado estable si regresa a su posición original después de producir un giro alrededor de un eje horizontal. Las condiciones para la estabilidad son diferentes para un cuerpo completamente sumergido y otro parcialmente sumergido. Los submarinos son un ejemplo de cuerpos que se encuentran completamente sumergidos en un fluido. Es importante, para este tipo de cuerpos, permanecer en una orientación específica a pesar de la acción de las corrientes, de los vientos o de las fuerzas de maniobra.
La condición para la estabilidad de cuerpos completamente sumergidos en un fluido es que el centro de gravedad del cuerpo debe estar por debajo del centro de flotabilidad. El centro de flotabilidad de un cuerpo se encuentra en el centroide del volumen desplazado. El peso del cuerpo actúa verticalmente hacia abajo a través del centro de gravedad.
Cuando un cuerpo está totalmente sumergido pueden ocurrir tres casos según el centroide del líquido desplazado, esté sobre, coincida o esté más abajo que el centro de masa o centro de gravedad del cuerpo. En el primer caso, no hay momento al girar el cuerpo, luego el equilibrio es indiferente. En el segundo caso, la fuerza de empuje actúa más arriba del peso, luego para una ligera rotación del cuerpo, aparece un momento que tiende a restaurar la posición original, en consecuencia este equilibrio es estable. En el último caso, el momento que se origina tiende a alejar el cuerpo de la posición de equilibrio, lo cual es en consecuencia la condición de cuerpo inestable.
El equilibrio existe cuando el centro de gravedad del cuerpo sumergido y el centro del empuje están en la misma vertical, pues en caso contrario, se origina un par de fuerzas que hace girar al cuerpo, hasta que las verticales correspondientes al peso y al empuje coinciden. Cuando un cuerpo está en equilibrio, flotando en la superficie de un líquido se verifica que su peso y el empuje, han de ser iguales. El centro de empuje para los cuerpos flotantes estará localizado en el centro de gravedad del volumen de fluido desplazado (reemplazado) por la porción de sólidos sumergida. La condición general de equilibrio de los cuerpos flotantes es la misma que la de los cuerpos sumergidos, es decir que el centro de gravedad y el de empuje han de estar en la misma vertical. La condición de estabilidad es distinta que la de los cuerpos sumergidos, pudiendo ocurrir que el centro de gravedad esté encima del de empuje y ser equilibrio estable. Al apartarse un cuerpo flotante de su posición de equilibrio, el centro de gravedad no modifica su posición en el cuerpo, pero el centro de empuje se desplaza, al variar de forma la parte introducida en el líquido. El par de fuerzas que se origina con el peso y el empuje, puede volver al cuerpo a su posición primitiva o hacerlo girar, volcándolo.
En el vídeo, se puede ver esta explicación, de tal forma que los alumnos pueden entenderlo mediante la visualización o la puesta en práctica. Además, la experimentación, puede ir acompañada de múltiples de ejemplos en los que se ve este fenómeno, en la vida cotidiana del alumno, como es el caso de; la flotación de los barcos, la flotación de los submarinos, los salvavidas, los densímetros, los globos aerostáticos, los flotadores de las cajas de los inodoros, los peces, sin olvidarse de la natación, ya que el propio alumno necesita un dominio de la flotación para conseguir una completa autonomía en el medio acuático.
¿Por qué los huevos podridos flotan en el agua y los frescos se hunden? La respuesta a esta pregunta se basa en el principio de Arquímedes.
Una forma corriente de saber si un huevo está fresco o podrido es sumergirlo en un recipiente con agua. Si el huevo es fresco, se hundirá, y si está podrido flotará. Como bien se ha comentado previamente, si el cuerpo es menos denso que el fluido, entonces flota. El huevo está compuesto principalmente por dos sustancias bien diferenciadas, la yema y la clara. Estos dos compuestos son más pesados que el agua, por lo que al colocarlos en el recipiente, el huevo se hunde. Cuando el huevo se pudre, hay cambios químicos y aparecen muchas sustancias nuevas, de las cuales gran cantidad son gases. La cáscara del huevo no es impermeable, todo lo contrario, es muy porosa. Esto permite que los gases escapen y el huevo pierda peso. Es por ello que el huevo podrido flota en el agua.
Neste video explícase o principio de Arquímedes e a súa aplicación na flotación dos barcos. Tamén demostra que as forzas exercidas polos fluidos sobre os corpos somerxidos son perpendiculares ás superficies.
Ambos vídeos me parecen muy ilustrativos para ayudar a que los alumnos/as comprendan el principio de Arquímedes y asimilen algunos de los aspectos y parámetros que rigen este principio. Principio descubierto por el científico griego Arquímedes, en donde estando un cuerpo sumergido en un fluido, se mantiene a flote por una fuerza igual al peso del fluido. Este principio, también conocido como la ley de hidrostática, se aplica a los cuerpos, tanto en flotación, como sumergidos; y a todos los fluidos.
Este principio puede igualmente aplicarse al caso en que los cuerpos se sumerjan en los gases, y entonces puede enunciarse de este modo, que es como resulta de aplicación más general: Todo cuerpo sumergido en un fluido desaloja un volumen de éste igual al suyo y pierde de su peso tanto como pesa el volumen del fluido desalojado.
En este enlace, podemos ver un vídeo en el cual gracias al Principio de Arquímedes y al hexafluoruro de azufre (más denso que el aire) se puede hacer que un barco de aluminio flote en “el aire” (gas).
Los dos vídeos ilustran claramente en principio de Arquímedes que como se ha comentado tiene repercusiones en diferentes aspectos de la vida cotidiana, como la flotabilidad de una embarcación o en el funcionamiento de los submarinos.
La experiencia del segundo vídeo me ha parecido una gran demostración de que el volumen de fluido que desplaza un objeto al sumergirse en dicho fluido es proporcional al empuje que experimenta. Además en el vídeo se citan otros conceptos que los alumnos confunden, como peso y masa.
Este vídeo explica os principios de flotación Arquímedes, e aplícamos a explicación de flotación dos barcos.
Como es posible que un barco de hierro flote y un clavo se hunda ?
En cuanto al principio de flotación, hay un ejemplo conocido que es el de comparar la flotabilidad de la coca-cola light respecto a la normal. Mientras que la primera flota por tener una densidad menor que la del agua, la segunda se va al fondo por tener una densidad mayor.
La estabilidad de un cuerpo flotante también varía según la forma de ese cuerpo. A continuación os dejo también otro interesante vídeo semejante sobre la flotabilidad y equilibrio en los barcos.
Parece que siempre que se habla del principio de Arquímedes únicamente se hace referencia a líquidos, en especial al agua; olvidando en muchas ocasiones que un gas es un fluido, al igual que un líquido y se rige por el mismo principio. Consecuencia directa de “olvidarnos” del empuje que sufren los cuerpos inmersos en la atmósfera es la respuesta tipo “pesan lo mismo” la pregunta “¿Qué pesa más un kilo de paja o un kilo de plomo?”, que es errónea. Se debe entender que se utiliza el “kilo” en el sentido vulgar de fuerza. Al colocar en los platillos de una balanza las cargas de paja y plomo, estos quedaran en equilibrio. Si introducimos la balanza en una cámara de vacío y se extrae el aire, la balanza se inclinará hacia la paja. Esto se debe a que la paja tiene una densidad menor que el plomo, por tanto, para una determinada masa el volumen que ocupa es mayor. Como ocupa mayor volumen que el plomo, el empuje que sufre (no hay que olvidar que el aire es un fluido) es mayor que el que sufre el plomo ya que desplaza un mayor volumen de aire.
Los vídeos explican con claridad el principio de Arquímedes el cual tiene una gran importancia en un montón acciones cotidianas, la flotación de los barcos en el agua pero este principio de Arquimedes nos puede a ayudar a explicar por qué los peces se desplazan en el agua sin flotar ni hundirse como se explica en el siguiente enlace.
La explicación en los vídeos es muy clara. Este principio de Arquímedes tiene muchísimas aplicaciones, algunas de las cuales de las que no nos damos cuenta como es el caso de la fisioterapia en la que este principio se aplica en la recuperación de pacientes que han sufrido roturas. Puesto que al realizar los ejercicios sumergido en agua las articulaciones sufren menos y los ejercicios son menos agresivos.
La flotabilidad es un concepto clave en la industria náutica y es necesario relacionarlo bien con el principio de Arquímedes, ya que conocerlo permite explicar y entender mejor este concepto.
Un cuerpo flotará cuando la fuerza resultante ejercida por la presión del fluido, en el que esté sumergido, sea mayor que la resultante ejercida por el peso del objeto y la presión ejercida por el ambiente en la parte superior.
Este vídeo explica de forma sencilla la flotación casera.
En este video se recoge de forma muy clara la relación que existe entre la flotabilidad y el centro de masas. Con esta experiencia se puede comprobar facilmente como flota un barco y porque no vuelca (al contrario que le vaso con monedas) y ello es así porque la distribución de masas en los buques esta proyectada para que estos además de flotabilidad, presenten estabilidad. Lo contrario pasa cuando en un barco hay un corrimiento de carga y se provoca el hundimiento del mismo.
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Na oceanografía, cando un corpo de auga tende a colocarse na columna de agua segundo a súa densidade, entra nunha frecuencia de oscilación relacionada ca estabilidade chamada frecuencia de Brunt-Väisälä.
También se podría explicar con el principio de Arquímedes cómo controlan la flotabilidad la mayoría de los peces óseos mediante el uso de la vejiga natatoria. Este órgano se trata de una bolsa de paredes flexibles llena de gas, cuyo volumen varía por la acción que ejerce sobre ella la presión exterior permitiendo al pez ascender o descender mientras que este nada.
Un ingeniero y profesor de física matemática llamado Isaac Peral fue el inventor del primer submarino militar completamente útil, utilizando para ello, el Principio de Arquímedes.
Desde hace años los submarinos de construyen con dos cascos: uno externo y otro interno en el que viajan los marineros. El lugar existente entre ambos cascos se utiliza para sumergir o hacer flotar el submarino, controlando de esta forma su profundidad. En dicha cavidad, se introduce agua expulsando el aire que contiene. El agua pesa más que el aire y por lo tanto tiende a sumergirse. Si quiere subir a la superficie utiliza aire comprimido que se encuentra guardado en unos tanques. Este aire comprimido al introducirlo en los depósitos donde se encuentra el agua se expande y desplaza el agua hacia fuera del submarino. Todo esto hace que el submarino tenga menos peso y que tienda a aumentar su flotabilidad. A pesar de la supuesta sencillez de este sistema como refleja el video, un submarino sumergido se encuentra en un “equilibrio inestable” (tiene tendencia a profundizarse o a flotar), es decir, que para mantener una profundidad determinada se necesita controlar continuamente los tanques de control de profundidad.
El cuerpo humano tiene una densidad similar al del agua, por lo que puede decirse que tiene una flotabilidad neutra. Para nosotros es relativamente fácil hundirnos y salir a flote si solo nos vestimos con trajes de baño. Sin embargo, si utilizamos un traje de buceo, nuestro volumen aumenta considerablemente, por lo que adquirimos flotabilidad positiva, es decir, nos cuesta más sumergirnos. Por ello, para practicar submarinismo es necesario utilizar un sistema de lastre, que se coloca en la espalda o en el cinturón del buceador. El peso del lastre permite que la persona que se sumerge vuelva a experimentar flotabilidad neutra o negativa y, por lo tanto, pueda permanecer bajo el agua con menos esfuerzo. La elección del lastre depende de varios factores personales como el índice de masa corporal del sujeto, la profundidad a la que desee sumergirse, el traje de neopreno utilizado y su nivel de práctica. Además, la misma persona deberá utilizar diferentes lastres en agua dulce y en agua salada, ya que el agua dulce es menos densa que el agua de mar. Esto significa que en el agua salada los humanos tenemos una mayor flotabilidad, por lo que es necesario utilizar un mayor lastre que en el agua dulce. Los vídeos propuestos en la descripción del experimento ejemplifican bien el fenómeno de la flotabilidad, pero una propuesta sería realizar el experimento del primer vídeo tanto con agua dulce como con agua salada y observar las diferencias que se producen.
El principio de Arquímedes nos dice que “Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido recibe un empuje hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja”. A continuación, se recoge en este enlace otro experimento que se puede hacer con alumnos. También se podría hacer el experimento del submarino para el cual se necesitan globos, tuercas y botellas de agua. En el siguiente enlace se recoge como hacerlo.
Se trata de experimentos que son muy ilustrativos y útiles para alumnos de la ESO puesto que no tienen gran complicación.
Este experimento me parece fantástico para que los estudiantes observen y estudien el fenómeno de flotación. Así, los alumnos y alumnas pueden demostrar y entender porque los objetos flotan. Dependiendo de los conceptos científicos que se introduzcan con este experimento, puede ser realizado en cualquier nivel de la ESO o bachillerato. Se trata de una actividad manipulativa sencilla que se realiza con materiales caseros, por tanto, con materiales de bajo coste. Este experimento se fundamenta en el principio de Arquímedes, que establece que todo objeto sumergido en el interior de un fluido experimenta una fuerza de empuje que es equivalente al peso del fluido desalojado por el objeto. Esta fuerza de empuje también se denomina fuerza de flotación, ya que es la responsable de que los objetos floten en los fluidos. El fenómeno de flotación se produce cuando el peso del objeto es menor o igual al peso del fluido desplazado. Os dejo una actividad manipulativa muy divertida que demuestra el fenómeno de flotabilidad.
Espero que sea de utilidad.
En estos dos vídeos se habla del principio de Arquímedes. Aunque la aplicación más conocida es la flotabilidad de los barcos, este principio también se puede observar en los icebergs que flotan en el agua quedando la mayor parte de su volumen bajo el agua. En este enlace explican cómo calcular el volumen exacto de la parte del iceberg que queda bajo el agua.
Los barcos pueden flotar debido al gran volumen de agua que desplazan, provocando una gran fuerza de empuje. Que un barco flote, va a depender de la forma de este, por lo que el diseño de embarcaciones es fundamental. Como vemos en el siguiente vídeo, un cubo de acero de 1kg se hundirá, ya que la fuerza de empuje no es suficiente para mantenerlo a flote. Pero si a la misma cantidad de acero se moldea correctamente, el volumen de agua que desplazará será mayor y por lo tanto la fuerza de empuje será mayor y flotará.
El principio de Arquímedes tiene muchas aplicaciones tanto en la vida cotidiana como en la industrial. Un ejemplo de ello es el funcionamiento del densímetro. El densímetro es un dispositivo muy sencillo empleado para medir la densidad de los fluidos. Está formado una varilla de vidrio graduada que más abajo se ensancha y en la parte parte inferior tiene un vulvo pesado. Su funcionamiento se basa en que el peso del densímetro es siempre el mismo, y por lo tanto, debido al principio de Arquímedes, el peso del volumen desplazado deberá ser igual sea cual sea el fluido en el que se introduzca. De esta forma, cuanto mayor sea la densidad del fluido, menos volumen de líquido se desplazará, y por lo tanto menos se introducirá en el seno del líquido. Por el contrario, cuanto menor sea la densidad, el volumen desplazado será mayor y el instrumento se sumergirá más. De esta forma, se puede elaborar una escala de densidades, que nos diga cual es la densidad en función del nivel al que se encuentre sumergido el aparato.
Este principio lo aplicamos cuando tiramos un objeto al agua, o cuando nadamos; el objeto se hunde si su peso es mayor a la cantidad de fluido desalojado. El objeto flota cuando su peso es menor o igual a la cantidad de fluido desalojado. Actividad ideal para explicar el Principio de Arquímedes en Física y Química de 4º de la ESO. Explicación breve y sencilla de un experimento relacionado con este principio.
Este experimento es perfecto para acompañar la explicación del Principio de Arquímedes, que se incluye en el currículum de Física y Química de 4º de la E.S.O.
Los ejemplos en los que se utiliza este concepto son muy diversos; por ejemplo, los buques cargueros deben colocar la carga siempre desde las cubiertas inferiores a las superiores, con el fin de no comprometer su estabilidad; en caso de ser necesario, estos buques disponen además de tanques de lastre en las cubiertas inferiores, con los que a cambio de sacrificar algo de hidrodinanismo ganan en estabilidad. Ocurre lo mismo con los veleros, que mediante una quilla en forma de bulbo (protuberancia de material muy denso situado bajo el casco que ayuda a mantener la estabilidad vertical frente a las escoras del barco, permitiendo adquirir mayor velocidad) resulta casi imposible que vuelquen. Lo más común es que esté hecho de hierro cuya densidad es de 7,8 veces la del agua, pero en función del presupuesto de cada barco, esta quilla está hecha de un material u otro. Si el bulbo fuera de plomo tendríamos una ventaja sustancial, ya que la densidad del plomo es 11,4. Pero si pudiéramos utilizar uranio cuya densidad es de 18,8, casi 3 veces la densidad del hierro, lograríamos desplazar el centro de gravedad, reduciendo notablemente el volumen total del bulbo. Solo un metal mejoraría este hecho, el Oro, cuya densidad es de 19,3, el metal más pesado de todos. Por último, recientemente se ha desarrollado un prototipo de moto que se dice que es imposible que vuelque o caiga al suelo incluso sufriendo un impacto lateral; en lo que se basa esta idea es en el concepto de estabilidad que estamos trabajando, un muy bajo centro de gravedad que aumente al máximo la estabilidad.
Otra forma de probar facilmente el Principio de Buoyancy y de Arquimedes es utilizando una naranja como se explica en el siguiente enlace. Consiste en ver como flota la naranja si se coloca en un bote con agua sin pelar, y como una vez pelada se hunde. Esto ocurre porque al pelarla, los huecos que hay en la naranja hacen que pase el agua y no sea capaz de desplazar sufiente agua para superar la fuerza de la gravedad, por lo que la fruta se hunde. Es un experimento sencillo que se puede usar tanto con niños pequeños sin explicar en profundidad las ecuaciones como con estudiante de eso entrando más en profundidad en los principios que ocurren y aplicando las ecuaciones correspondientes.
Una serie que me encantaba cuando era pequeña era “Una vez el hombre” que explicaba la historia y fenómenos de la ciencia mediante ilustraciones. Aquí podéis ver como se explicaba en la serie el principio de Arquímedes y la historia de la corona de oro del rey Hierón.
Antigamente algunhas veces os barcos construídos e cargados en Europa, ao chegar aos trópicos afundían. Isto era debido a que a flotabilidade dos barcos era calculada en augas frías e salgadas e, ao chegar a outras máis cálidas e menos salgadas (menor densidade), o barco debía desprazar máis auga para manter o equilibrio. Se neste maior “afundimento” do barco se alcanzaba algunha apertura do casco, a auga introducíase no mesmo e acababa afundíndoo por completo. Este problema solucionouse a finais do século XIX grazas ao Disco Plimsoll, coñecido como marca de francobordo, unha marca situada no centro do buque que indica o calado dun barco e o límite ata o que pode cargarse para diferentes tipos de augas e temperaturas. No seguinte blog amósase como funciona a marca de francobordo, inclúe un vídeo explicativo.
Sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas en vertical, su peso hacia abajo y el empuje hacia arriba. Para saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico que viene determinado por el cociente de su peso dividido por su volumen. Cuando el peso específico de un cuerpo es mayor al del líquido en el que se encuentra dicho cuerpo se hunde, si es igual ni se hunde ni emerge (equilibrio) y si es menor entonces el cuerpo flota. Entonces, ¿por qué flotan los barcos? Aunque el hierro o el acero que son los materiales generalmente usados en la construcción de barcos tienen un peso específico mayor al del agua y se hunden, los barcos al tener un gran volumen ven disminuido su peso específico. Además, cuando se construye un barco hay que tener en cuenta que no están hechos de material macizo sino que existen compartimentos vacíos que hacen que en general el peso específico del barco sea menor al del agua y por lo tanto floten.
Ejercicio muy sencillo y fácil de reproducir en el aula para explicar la flotabilidad de los objetos y el principio de Arquímedes. Se podría hacer el experimento utilizando agua con distinto grado de salinidad, para que los alumnos puedan comprobar cómo afecta la densidad del agua a la flotabilidad de los cuerpos. Por ejemplo, el agua de mar es un 3% más densa que el agua dulce, lo que hace que la flotabilidad sea mayor en el agua de mar que en una piscina.
Me parece un ejercicio muy visual para explicar tanto el principio de Arquímides como el centro de masas. Me parece muy interesante la idea de Natalia de cambiar la salinidad del agua, también se podría hacer con diferentes líquidos como aceite.
El cálculo de estabilidad es fundamental para la construcción de buques. Uno de los casos más impactantes de fallos en estos cálculos es el caso del Vasa, buque de guerra sueco que se hundió tras recorrer algo más de un km en su viaje inaugural: el barco escoró en exceso y entró agua por las troneras de la parte inferior, todo con un viento muy leve. Uno de los motivos que se baraja es que el centro de gravedad era muy elevado al haberse añadido más cañones en la segunda cubierta. Más información en este estudio. Actualmente el barco se encuentra en el Vasamuseet en Estocolmo, cuya visita es muy interesante e impresionante.
Los comentarios anteriores son interesantes, pero a mi siempre me fascinó la historia (leyenda, mito, o realidad, quién lo sabe) que dio origen del Principio de Arquímedes. Hierón de Siracusa encargó la construcción de una corona de oro y plata. Preocupado porque el platero responsable se hubiera guardado parte del oro para la construcción de la corona, Hierón encargó a Arquímedes que determinará si era así o no. Arquímedes descubrió en su baño que pesaba menos, y que la diferencia de peso correspondía con el volumen de auga que desalojaba. Llegó así a la solución del problema que provocó su famoso “Eureka!”. Si la corona estaba construída con el oro y la plata entregados debería desalojar un volumen determinado de agua. Si tenía más plata, de menor densidad, desalojaría más agua y por tanto desalojaría más agua (y pesaría menos estando sumergida en agua). Este fue el resultado, demostrando que el rey Hierón había sido estafado. Más info en este artículo.
La Educación pretende acercar el alumno al medio que lo rodea, explicar los conceptos, principios y leyes a través de cosas cotidianas, cercanas al alumno. En mi caso, vivo en un pueblo marinero, donde una parte importante de la economía se debe a la pesca. Sin embargo, cuando me explicaron estos conceptos de flotabilidad,centro de masas, el Principio de Arquímedes, no recuerdo que lo relacionases con esos barcos por los que todos los días pasábamos para ir al instituto. Una pena, porque seguro no se me olvidarían nunca.
El principio de Arquímedes explica también el funcionamiento de la vejiga natatoria de los peces. La vejiga natatoria es una bolsa de pareces flexibles que se encuentra en la cavidad abdominal, justo bajo la columna vertebral. Su función es la de ayudar al pez a permanecer a una profundidad determinada, o más concretamente, a la profundidad en que el peso del agua que desaloja su cuerpo es igual al propio pez. La vejiga natatoria controla la flotabilidad neutral del pez en el agua, sin la necesidad de realizar prácticamente esfuerzo muscular.
El principio de Arquímedes es utilizado a menudo en el mundo náutico. Lo más común es pensar en la flotabilidad de los barcos, o en la capacidad de sumergirse de los submarinos, pero otro tanto ocurre con nuestro propio cuerpo. Por ejemplo, al practicar buceo. Cuando un buzo se sumerge en el agua, desplaza un volumen de agua equivalente al de su masa. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el buzo, su traje y su equipo de buceo funcionan como un todo, aumentando considerablemente su volumen. Esto hace que aumente también el volumen de agua desplazada y su masa, generando un mayor empuje vertical hacia arriba en el buzo, aumentando su flotabilidad. Para poder descender al fondo, es necesario que la masa del buzo sea mayor que la masa del volumen de agua desplazada. Para ello, se usan lastres que compensan el volumen del equipo y ayudan a aumentar esta masa. Pero el objetivo del buceo es conseguir una flotabilidad neutra, es decir, conseguir que el buceador ni se hunda ni flote. Para ello, cuenta también con un chaleco hinchable, de manera que, si se requiere aumentar la flotabilidad, basta con hinchar un poco el chaleco. Esto aumentará su volumen y por tanto la cantidad de agua desplazada, generando un empuje proporcional extra hacia arriba.
Por supuesto, el principio de Arquímedes no es el único que se aplica durante el buceo, como se puede ver en este otro enlace.
Como se expón na presentación e na introdución do experimento, o Principio de Arquímedes establece que se un corpo está total ou parcialmente sumerxido nun fluido, éste exerce unha forza cara arriba sobre o corpo igual ao peso do fluido desplazado polo mesmo. Implica que, para que un corpo flote, a súa densidade debe ser menor á densidade do fluido no que se atopa. A estabilidade dun corpo parcial ou totalmete sumerxido é vertical e obedece ao equilibrio existente entre o peso do corpo e a forza de flotación. Ambas forzas son verticais e actúan ao longo da mesma liña. A forza de flotación estará aplicada no centro de flotación e o peso estará aplicado no centro de gravidade. Ademáis, a estabilidade dun corpo parcial ou totalmente sumerxido é de dous tipos: estabilidade lineal e estabilidade rotacional. A estabilidade lineal ponse de manifesto cando se desplaza o corpo verticalmente cara arriba. Este desplazamento provoca unha disminución do volume de fluido desplazado cambiando a magnitude da forza de flotación correspondente. A estabilidade rotacional ponse de manifesto cando o corpo sofre un desplazamento angular. Neste caso, o centro de flotación e o centro de gravidade non permanecen sobre a mesma liña vertical, polo que a forza de flotación e o peso non son colineais, provocando a aparición dun par de forzas restauradoras. O efecto que ten dito par de forzas sobre a posición do corpo, determinará o tipo de equilibrio do sistema: equilibrio estable, inestable ou neutro.
Por outra banda e como se indica noutros comentarios, este principio ten moita importancia na enxeñería naval, xa que permite entender por qué os barcos flotan e tamén o funcionamento dos submarinos. Neste último caso, é importante o principio de flotabilidade, que é unha aplicación do Principio de Arquímedes e do Principio de Pascal, que expón que a presión exercida sobre un fluido poco compresible e en equilibrio dentro dun recipiente de paredes indeformables, se transmite con igual intensidade en tódalas direccións e en todos os puntos do fluido.
Este principio puede servir para hacer pensar a los estudiantes el por qué es más fácil levantar a alguien dentro del agua, que fuera de ella. La explicación se puede ver en el siguiente vídeo.
Este principio explica porqué flotan los barcos y que es lo que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar uno.
La fuerza de empuje se puede apreciar cuando vamos al mar en la playa, donde, por ejemplo, podemos levantar o cargar con una persona a la que no podríamos levantar, o nos costaría bastante más, fuera del agua.
Conozco un experimento que ilustra perfectamente el principio de Arquímedes. Llenamos una botella de agua e introducimos una bolsa de ketchup en el interior, cerrando bien el tapón. Si apretamos la botella, la bolsa se hunde. Esto se debe a que la presión del agua comprime la bolsa de kétchup, el volumen de aire de esta se reduce y su densidad media aumenta. Como consecuencia, el peso gana al empuje de Arquímedes.
Creo que el experimento que se realizan en los siguientes vídeos ilustran perfectamente el Principio de Arquímedes y son muy sencillos de realizar.
El principio de Arquímedes y la flotabilidad nos sirve para proyectos tan impresionantes como la construcción naval o para comprobaciones tan sencillas como averiguar el estado de frescura de un huevo. Es por todos sabido (o por los más concinillas al menos) que si un huevo se mete en agua y se hunde es que está fresco, pero si flota a la superficie está en mal estado y no se debería comer. Esto se debe a que la cáscara del huevo es una superficie porosa que a medida que pasa el tiempo va cediendo humedad al ambiente y absorbiendo aire de este. De este modo, mientras más tiempo pase mayor será el espacio que el aire ocupa dentro de la cáscara y por lo tanto, menor la densidad del huevo y mayor su flotabilidad.