O flotabilidad es la fuerza que actúa sobre los objetos que están parcial o completamente sumergidos en fluidos, como el aire y el agua. El empuje es ungrandeza vectorialallí, medir en newtons, que siempre apunta a la mismodirección y en el sentidoopuesto al peso del cuerpo sumergido. Según el principio de Arquímedes, la fuerza de flotación sobre un cuerpo tiene una magnitud igual a Peso del líquido que se ha desplazado debido a la inmersión del cuerpo.
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definición de empuje
El empuje es un fuerza que surge cuando algún cuerpo ocupa espacio dentro de un fluido. Tal fuerza depende exclusivamente de la volumen de fluido que fue desplazado, así como densidad del fluido y gravedad local. Con base en esta información, veamos la fórmula utilizada para calcular el módulo de la fuerza de flotación:
Y - empuje (N)
D - densidad del fluido (kg / m³)
V - volumen corporal sumergido o volumen de fluido desplazado (m³)
Antes de continuar con algunos ejemplos de empuje, explicaremos cada uno de los
grandezasinvolucrado en el cálculo del empuje. Si desea profundizar en el tema, le sugerimos que consulte nuestro texto sobre Hidrostática. En este artículo, encontrará una descripción general de todo lo que es más importante para esta área de estudio de la física.veaademás: Todo lo que necesitas saber sobre las olas
empuje (E)
el empuje es vector, por tanto, para realizar cálculos con esta magnitud, es necesario que apliquemos la reglas de suma de vectores. Además, debido a que es un fuerza, la resolución de ejercicios más complejos requiere que, eventualmente, apliquemos la Segunda ley de Newton, que afirma que la fuerza neta sobre un cuerpo es igual al producto de su masa y aceleración.
La siguiente figura ilustra un caso en el que un cuerpo está completamente sumergido en un fluido, mientras actúan el peso y la flotabilidad. en la misma dirección (vertical), pero en direcciones opuestas, la fuerza resultante se puede calcular por la diferencia de dos:
A partir del esquema presentado, es posible ver cómo el equilibrio de flotación, es decir, es posible saber si un cuerpo se hundirá o se mantendrá a flote:
- Si el peso del cuerpo es mayor que el empuje ejercido por el fluido, el objeto se hundirá;
- Si el peso del cuerpo es igual al empuje ejercido por el fluido, el objeto permanecerá en equilibrio;
- Si el peso corporal es menor que el empuje ejercido, el objeto flotará hacia la superficie del fluido.
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Densidad de fluido (d)
LA densidad, o masa específica del fluido, se refiere a la cantidad de materia por unidad de volumen de fluido. La densidad es un grandezaescalada, medido en la unidad de kilogramos por metro cúbico (kg / m³), según la Sistema de medición internacional (SI).
Compruebe la fórmula utilizada para calcular la densidad del cuerpo a continuación:
Originalmente, la densidad de todos los cuerpos se medía en función de la densidad del agua pura, por lo que la densidad del agua en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 25 ° C) se define en 1.000 kg / m³.
Aunque usamos unidades SI para hacer cálculos, es común que la densidad de fluidos se expresa en otras unidades, por lo que, en la siguiente figura, presentamos un esquema que relaciona a unidades principales de medida de densidad y las relaciones entre ellos y la unidad estándar:
En la figura observada, presentamos las unidades más comunes para la densidad del fluido, sin embargo, puede encontrar otras unidades, en cuyo caso, necesita saber cómo utilizar el prefijos del sistema de unidades internacionalesasí como realizar conversiones de volumen.
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Gravedad (g)
la gravedad es la aceleración que la masa de la Tierra ejerce sobre todos los cuerpos que están a tu alrededor. Al nivel del mar, el gravedad da Terra tiene una intensidad de 9,81 m / s², sin embargo, la mayoría de los ejercicios utilizan esta medida redondeado a 10 m / s², recuerde hacer uso de la gravedad como lo requiere la declaración de ejercicio.
Volumen de líquido o volumen corporal desplazados (V)
La magnitud del volumen que está contenido en la fórmula de empuje está relacionada con la cantidad de el volumen corporal está incrustado en el líquido, o para volumen de fluido desplazado. El volumen del cuerpo en cuestión debe medirse en metros cúbicos (m³).
Principio de Arquimedes
Según la especulación, el Principio de Arquimedes se desarrolló cuando, un día, el matemático griego se dio cuenta de que cuando se metía en su bañera llena de agua, una gran cantidad de líquido cae de la bañera, el mismo volumen que ocupaba su cuerpo. Tras esta observación, Arquímedes concluyó que la masa y, en consecuencia, el peso del agua que cayó de la bañera no era igual a su peso y masa y que esta diferencia explicaría la por qué los cuerpos flotan.
Luego se afirma que:
“Cuando cualquier cuerpo se inserta en un fluido, surge una fuerza de flotación vertical y ascendente sobre el cuerpo. Esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado "
casos de fluctuación
Es posible comparar las densidades del cuerpo líquido y sumergido para predecir si este cuerpo se hundirá, flotará o quedarse en equilibrio. Veamos estas situaciones:
→ cuerpo hundido: Si el objeto sumergido en el fluido se hunde, se puede concluir que su la densidad es mayor que la densidad del fluidoAsimismo, decimos que su peso es mayor que el empuje que ejerce el fluido.
→ Cuerpo en equilibrio: si un cuerpo colocado sobre un fluido permanece en equilibrio, es decir, estacionario, podemos decir que las densidades corporales y de fluidos son iguales, así como su peso y empuje.
→ Cuerpo flotante: cuando un cuerpo flota, si se libera en un fluido, el empuje que se ejerce sobre él es mayor que su peso, por lo que podemos decir que el La densidad de este cuerpo es menor que la densidad del fluido. donde se encuentra.
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peso aparente
Probablemente haya notado que algunos cuerpos se ven más livianos de lo que realmente son si se colocan en el agua. Esto se debe a que, al sumergirnos, además del peso, tenemos el flotabilidad interino. La diferencia entre estas dos fuerzas se conoce como peso aparente.
Nótese que si el peso y el empuje tienen la misma magnitud, el peso aparente del cuerpo será nulo, es decir, en esta condición, es como si el objeto no tuviera peso en absoluto y por lo tanto, será detenido sobre el fluido.
Ejemplos de flotabilidad
Vea algunos ejemplos de situaciones en las que hay una actuación expresiva de la fuerza de flotación:
- Debido a que es menos denso que el agua líquida, el hielo tiende a flotar;
- El vapor de agua y el aire caliente tienden a subir, ya que cuando están más calientes ocupan más espacio, haciendo que su densidad sea menor que la del aire frío;
- Las burbujas de champán se componen de gas carbónico, que es un gas muchas veces menos denso que el agua, por lo que al abrir una botella de champagne, estas burbujas son expulsadas violentamente del líquido;
- Los globos de fiesta flotantes lo hacen debido a la flotabilidad del aire atmosférico, ya que están llenos de gases menos densos que el gas atmosférico, como el gas helio.
ejercicios resueltos
Pregunta 1-(Enem 2011) En un experimento realizado para determinar la densidad del agua en un lago, se utilizaron algunos materiales según ilustrado: un dinamómetro D con una graduación de 0 N a 50 N y un cubo masivo y homogéneo con un borde de 10 cm y 3 kg de masa. Inicialmente, se verificó la calibración del dinamómetro, verificando una lectura de 30 N cuando el cubo estaba unido al dinamómetro y suspendido en el aire. Al sumergir el cubo en el agua del lago, hasta sumergir la mitad de su volumen, se registró la lectura de 24 N en el dinamómetro.
Considerando que la aceleración de la gravedad local es de 10 m / s², la densidad del agua del lago, en kg / m³, es:
a) 0,6
b) 1.2
c) 1,5
d) 2,4
e) 4.8
Resolución
Alternativa b.
Primero, es necesario darse cuenta de que la diferencia de “peso” registrada en el dinamómetro se refiere a la fuerza de flotación ejercida por el agua del lago, que, en este caso, era igual a 6 N. Después de eso, podemos aplicar la fórmula de flotabilidad, utilizando los datos proporcionados por el ejercicio, observe el cálculo:
Para hacer el cálculo anterior, tuvimos que convertir el volumen del cubo, en centímetros cúbicos, en metros cúbicos.
Pregunta 2 -(Enem 2010) Durante las obras de construcción de un club, un grupo de trabajadores tuvo que quitar una enorme escultura de hierro colocada en el fondo de una piscina vacía. Cinco trabajadores ataron cuerdas a la escultura e intentaron levantarla, sin éxito. Si la piscina está llena de agua, será más fácil para los trabajadores retirar la escultura, ya que:
a) la escultura flotará. De esa manera, los hombres no necesitarán esforzarse para quitar la escultura de la parte inferior.
b) la escultura será más liviana, de esta manera la intensidad de fuerza requerida para levantar la escultura será menor.
c) el agua ejercerá una fuerza sobre la escultura proporcional a su masa, y hacia arriba. Esta fuerza se sumará a la fuerza que utilizan los trabajadores para cancelar la acción de la fuerza del peso de la escultura.
d) el agua ejercerá una fuerza hacia abajo sobre la escultura y recibirá una fuerza hacia arriba desde el piso de la piscina. Esta fuerza ayudará a contrarrestar la acción de la fuerza del peso sobre la escultura.
e) el agua ejercerá una fuerza sobre la escultura proporcional a su volumen y hacia arriba. Esta fuerza se sumará a la fuerza que ejercen los trabajadores y puede resultar en una fuerza hacia arriba mayor que el peso de la escultura.
Resolución
Alternativa e. Cuando la piscina esté llena de agua, la fuerza de flotación actuará sobre ella, en sentido vertical y ascendente, por lo que será “más ligera” y se sacará más fácilmente del fondo de la piscina.
Por Rafael Hellerbrock
Profesor de física
