Experimento #10 Fuerza Boyante y el Principio de Arquímedes
Fuerza Boyante y el Principio de Arquímedes
Por Juan A. González Sánchez, PhD
Algunos de nosotros hemos tratado de sumergir una bola de playa en el agua y sentimos como el agua la empujar nuevamente hacia arriba. A esta fuerza se le llama Fuerza Boyante y todos los líquidos aplican esta fuerza a todo objeto que es sumergido en estos. La Fuerza Boyante existe porque la presión del fluido es más alta a mayor profundidad.
Objetivos
- Medir la Fuerza Boyante actuando sobre objetos sumergidos
- Determinar la pendiente de la gráfica de Fuerza (N) contra Profundidad (m)
- Aplicar el Principio de Arquímedes
- Comparar el valor calculado para densidad con el valor aceptado
Materiales
- Sensor de Fuerza Pasco
- Interface 750
- Regla
- Beaker 100mL
- Agua
- Base con Altura Ajustable
- Juego de Densidad
Hipótesis
¿Cómo la fuerza boyante cambia con la profundidad?
¿En donde ustedes mayor fuerza boyante en una piscina llena de aceite o syrup de panqueques?
¿Cómo está la fuerza boyante está relacionada al volumen y a la masa del objeto sumergido?
Principio de Arquímedes
El Principio de Arquímedes dice que la fuerza boyante hacia arriba en un objeto parcialmente o completamente sumergido en el líquido es igual al peso del fluido (mg), desplazado por el objeto.
La Fuerza Boyante según el Principio de Arquímedes donde ρ es la densidad del fluido, V el volumen del objeto sumergido y g la aceleración de gravedad.
Luego, el Volumen sumergido es igual al área que entra en contacto con el fluido multiplicado por la altura de inmersión (h). Si el objeto es sumergido dentro del fluido mientras la Fuerza boyante es medida, la pendiente de la gráfica de F vs. H es proporcional a la densidad del fluido.
Experimento
1. Ensamble el sensor de fuerza en un tubo de metal horizontal como lo ilustra la siguiente figura.
2. Utilice el vernier para medir el diámetro del cilindro o el largo del cubo, calcule el área la sección que toca el agua o líquido.
3. Presione el botón de “Tare” en sensor de Fuerza para poner la lectura en cero.
4. Enganche el cilindro o cubo al soporte del sensor de fuerza con un cordón.
5. Coloque alrededor de 800 ml de agua en un “beaker” y póngalo encima de la base de altura ajustable. La parte de abajo del cilindro debe tocar el agua, pero no bebe estar sumergido.
6. Coloque la regla de tal manera que pueda medir la altura del cilindro hasta el fondo del agua.
7. Comience a tomar medidas del sensor de fuerza con el programa DataStudio utilizando “Digit”.
8. Tome la medida de altura con la regla y conviértala a metros.
9. Repita los pasos 7 y 8 sumergiendo el objeto 5mm, hasta que esté completamente dentro del líquido.
10. Haga una gráfica con DataStudio con la altura (m) en el eje de x y Fuerza (N) en el eje de y.
11. Obtenga la pendiente y haga los cálculos necesarios para obtener la densidad del agua.
12. Calcule el porciento de error entre su densidad experimental y el valor aceptado de 1000 kg/m3.
13. Repita el experimento con otro objeto de diferente material ó con otro líquido de diferente densidad.
Problema
1. La densidad del hielo es 917 Kg/m3 y la densidad del agua del océano es aproximadamente 1025 Kg/m3. Un oso polar se monta sobre un pedazo de hielo flotando de 4.3 m3. ¿Cuál es el peso máximo que puede tener el oso para que el hielo lo sostenga sin hundirse completamente en el agua.
