miércoles, 3 de febrero de 2010

Actividad 4: Principio fundamental de la hidroestática

Actividad 1

  • dinamómetro es un instrumento que se utiliza para medir fuerzas. Lo inventó Isaac Newton. El dinamómetro es un cilindro (puede ser de muchos materiales como plástico, metal o cartón), en cuyo interior se encuentra un muelle con un gancho en cada extremo. En el gancho inferior se coloca el objeto que queremos medir. Entonces el muelle se estira y nos indica cuál es la fuerza de ese objeto en la escala marcada del cilindro. La precisión de este instrumento es de 0,02 N ya que entre 0,1 y 0,2 hay cinco rayitas de división.

  • El calibre es un instrumento que sirve para medir dimensiones de objetos pequeños. El calibre consta de una regla con una escuadra en un extremo, sobre la cual se desliza otra regla que nos indica la medida en una escala. La precisión del calibre es exactamente la misma que la de el dinamómetro. Es decir, 0,02 cm.
  • La balanza electrónica es un instrumento muy útil en los laboratorios de hoy en día ya que su precisión a la hora de pesar objetos es muy exacta. Además, su utilización es muy sencilla: Basta con encender la balanza y colocar el objeto que queramos pesar en la superficie plana superior. Entonces nos aparecerá en la pantallita su peso (normalmente en gramos). Las balanzas electrónicas suelen medir hasta los decigramos.

    Lo que indica la exactitud es cómo de cerca se encuentra el valor que hemos medido del valor real. En cambio, la precisión se refiere a lo que varían los valores obtenidos de las mediciones repetidas de una magnitud. Por eso, cuanto menor sea la dispersión, mayor será la precisión.
    Para que el dinamómetro y la balanza nos den una medida exacta, debemos seguir el proceso de asegurarnos de que al no aplicar ninguna fuerza ni ningún peso, el instrumento marque el número cero.


Actividad 2

La unidad en que se mide el peso es en moles (M), la unidad en que se mide la masa es en kilogramos (kg) y la unidad en que se mide el volumen es en mililitros (ml).

Las magnitudes fundamentales

Las magnitudes fundamentales, son aquellas que nos sirven para, mediante operaciones matemáticas entre ellas, definir todas las demás magnitudes físicas dando lugar a las magnitudes derivadas.

El sistema internacional de unidades (SI), tiene como magnitudes fundamentales :

Kilogramo (kg) → para la masa
Metro (m) → para la longitud
Segundo (s) → para el tiempo
Kelvin (K) → para la temperatura
Amperio (A) → para la intensidad de la corriente eléctrica
Mol (mol) → para la cantidad de sustancia
Candela (cd) → para la intensidad luminosa

Las magnitudes derivadas


Estas magnitudes son la combinación de las magnitudes físicas definidas como fundamentales.
Y son las siguientes:

Volumen (v) → m3
Densidad (d) → kg / m3
Aceleración → m/s2
Fuerza → N· m/s2

Ahora, las pequeñas Einsteins vamos a hacer un pequeño estudio sobre el principio fundamental de la hidroestática, en el que observaremos dos bolas metálicas: una plateada y la otra negra.



Datos



Bola Plateada



Masa: 68,5 g






Peso: 0,68 N



Bola Negra



Masa: 22,5 g







Peso: 0,22 N



Actividad 3

Para empezar este estudio, vamos a calcular la masa de las esferas aplicando la ecuación P=mg. Para ello tenemos los siguientes datos:
Bola Negra: Peso = 0,22 N
Bola Plateada: Peso = 0,68 N

BOLA NEGRA:

P=mg
0,22 N=9,8 m/s2 ·m






0,022 kg= m



La masa de la bola negra es 0.022 kg

BOLA PLATEADA:

P=mg
0,68 =9,8 m/s2 · m


m= 0.07 kg
La masa de la bola plateada es 0.07 kg.




Mediante esta tabla podemos ver las masas cálculadas con los cálculos realizados anteriormente y las masas que nos indicaba la balanza de las bolas plateada y negra. Podemos observar que la diferencia que existe entre los dos procesos son mínimos en ambos casos. Esta pequeña diferencia se debe a que la precisión de los instrumentos utilizados no es absoluta y que en los resultados que nosotras obtenemos redondeamos hacia arriba cometiendo fallos de imprecisión.


ACTIVIDAD 4

El diámetro de las bolas es el mismo : 2,52.Y por tanto, su radio es de 1,26 cm.
Con esos datos somos capaces de calcular el volumen de las dos bolas:


La fórmula del volumen de una esfera siempre es: V=\frac{4}{3} \pi r^3
Asique vamos a proceder a calcular el volumen de la bola plateada.
V=\frac{4}{3}\times{}3,14\times{}1,26^3 = 8,37 cm^3

El volumen es de 8,37 cm^3
La masa de la bola plateada es de 0,0685kg. Es decir, 68,5 g.
Con este dato podremos calcular la densidad aplicando la fórmula
D=

D= Luego... D=

Las dos bolas tienen el mismo volumen, pero no la misma densidad ya que el peso de la bola negra es 0,0225kg (22,5gr). Asique con estos datos vamos a averiguar la densidad de la bola negra:

D=

D=\frac{22,5g}{8,37 cm^3}=2,7g/cm^3 es la densidad de la bola negra

Hemos investigado mucho acerca de la bola plateada y hemos llegado a la conlcusión de que puede estar hecha de un material muy parecido al Gadolinio, debido a su densidad.
Y teniendo en cuenta la densidad de la última bola (la negra), creemos que puede tratarse del metal Aluminio.


ACTIVIDAD 5

EL EMPUJE


Para entender el concepto del empuje hace falta realizar una pequeña observación: cogemos un objeto y medimos se peso en newtons, imaginemos que obtenemos un resultado de 0,4 N, el mismo objeto lo sumergimos en agua y medimos con un dinamómetro su peso, el resultado es 0,31 N, ¿Qué ha ocurrido? El agua ejerce una fuerza vertical y hacia arriba que se enfrenta a la del peso del objeto, esta fuerza se denomina empuje, para calcularlo es necesaria una sencilla fórmula:

Peso real – Peso aparente = Empuje


Aplicándolo al ejemplo utilizado: 0,4 N – 0,31 N = 0,09 N


Gracias al empuje tenemos al explicación de porqué cuando nos encontramos sumergidos en agua nos sentimos menos “pesados”.

CARACTERÍSTICAS DEL EMPUJE

El empuje varía dependiendo del volumen del cuerpo sumergido, del material utilizado, de la densidad del líquido o de la profundidad. Para demostrarlo hemos llevado a cabo una serie de experiencias:


  • 1º Experiencia:

En esta primera experiencia lo que vamos a realizar será lo siguiente, calcular el empuje que realiza un mismo líquido sobre tres cuerpos de mismo volumen pero de diferente material.

El primer cuerpo es una bola gris:


Su peso real: 0,4 N Su peso aparente: 0,31 N El empuje que realiza el líquido: 0,09 N

El segundo cuerpo es una bola rosa:


Su peso real: 0,5 N Su peso aparente: 0,41 N El empuje que realiza el líquido: 0,09N

El tercer cuerpo es una bola amarilla:

Su peso real: 0,25 N Su peso aparente: 0,16 N
El empuje que realiza el líquido:
0,09 N



Conclusión: Los cuerpos de mismo volumen sumergidos en el mismo líquido experimentan el mismo empuje.


2º Experiencia:

En esta experiencia realizaremos lo mismo que en la anterior, sin embargo los objetos que sumergiremos en el mismo líquido serán del mismo material sin embargo el volumen será diferente.

El primer objeto es una bola mediana:

Su peso real: 0,4 N Su peso aparente: 0,31 N El empuje que experimenta es de 0,09 N


El segundo objeto es una bola de mayor volumen que la anterior:


Su peso real: 0,5 N Su peso aparente: 0,37 N El empuje que experimenta es de 0,13 N


El tercer objeto es una bola de menor volumen que las dos anteriores:

Su peso real: 0,29 N Su peso aparente: 0,25 N El empuje que experimenta es de 0,04 N



Conclusión: Los cuerpos de mismo material pero diferente volumen sumergidos en el mismo líquido no experimentan el mismo empuje.


3º Experiencia:


En esta experiencia similar a la anterior los cuerpos que sumergiremos serán de mismo volumen y material, sin embargo tendrán superficies diferentes:

El primer cuerpo es una bola gris:

Su peso real: 0,4 N Su peso aparente: 0,31 N El empuje que experimenta es de 0,09 N

El segundo cuerpo sumergido es una figura rectangular:

Su peso real: 0,4 N Su peso aparente: 0,31 N El empuje que experimenta es de 0,09 N

El tercer cuerpo sumergido es una figura cilíndrica:

Su peso real: 0,4 N Su peso aparente: 0,31 N El empuje que experimenta es de 0,09 N


Conclusión: Los cuerpos de mismo material y mismo volumen sumergidos en un mismo líquido experimentan la misma fuerza de empuje aunque estos posean diferentes superficies.


4º Experiencia:

Esta vez los cuerpos sumergidos poseerán el mismo volumen y material sin embargo estarán sumergidos en diferente líquido.

El primer líquido es de densidad media, el cuerpo sumergido posee:

Un peso real de 0,4 N Un peso aparente de 0,31 N El empuje experimentado es de 0,09 N

El segundo líquido es mas denso que el anterior, el objeto sumergido posee:

Un peso real de 0,4 N Un peso aparente de 0,2 N El empuje experimentado es de 0,2 N

El tercer líquido es el menos denso de los tres, el objeto sumergido posee:

Un peso real de 0,4 N Un peso aparente de 0,35 N El empuje experimentado es de 0.05 N

Conclusión: La densidad del líquido en el que sumergimos el cuerpo afectará en el empuje siendo el mayor denso el que mas empuje realiza.


5º Experiencia:

Vamos a comprobar si la profundidad a la que se encuentra el cuerpo sumergido afecta o no al empuje.

Como se puede ver en la imagen, el dinamómetro marca el mismo peso en N tanto si el cuerpo se encuentra en el fondo como en la superficie.


Conclusión: La profundidad a la que se encuentra el cuerpo sumergido no afecta al empuje que el líquido realiza.









EL EMPUJE DE LAS ESFERAS

Una vez realizadas estas experiencias estamos preparadas para calcular el empuje de las dos esferas que venimos estudiando.


Con los datos obtenidos en el video diriamos lo siguiente:

La bola negra:


Peso de la bola: 0,22 N

Peso de la bola sumergida: 0,14 N


Empuje experimental: 0,22-0,14 = 0, 08 N

Empuje teórico: Masa ∙ gravedad


La masa la podemos sacar mediante la fórmula : D= m / V

Densidad del agua: 1g / cm3


Volumen de la esfera: 8,37 cm 3

Empuje teórico : 0,00837 Kg ∙ 9,8 m / s2 = 0,08 N.


La bola plateada:

Peso de la bola: 0,675 N


Peso de la bola sumergida: 0,59 N

Empuje experimental: 0,085 N

Empuje teórico: Dado que el volumen de ambas esferas es el mismo, el empuje que experimentan tambien : 0,08 N

Hay discrepancias en el resultado del empuje teórico y experimental de la bola negra, esto puede ocurrir porque no hayamos tomado bien los datos o porque la precisión del dinamómetro no es suficiente, sin embargo para la bola plateada los resultados obtenidos son practicamente iguales.