Principio de Arquímedes

Objetivo

  • Verificar experimentalmente el principio de Arquímees.
  • Observar el efecto de la fuerza de empuje sobre un cuerpo a medida que es sumergido en un fluido.
  • Aplicar el principio de Arquímedes para encontrar la densidad de un fluido.

Fundamentación

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.

Debido a esta fuerza de empuje, el peso aparente de los cuerpos es diferente en el agua, que en el aire o en el mar. Todos alguna vez hemos experimentado la fuerza de empuje cuando estamos sumergidos en una piscina y notamos que nuestro peso es mucho menor. Es por esta misma razón, la fuerza de empuje, por la que flotan los barcos.

Cuando un cuerpo se suspende de un dinamómetro, la lectura de este nos indica el peso real del objeto si este se encuentra en el aire, a media que el objeto se sumerge en un fluido, se hace presente una fuerza adicional llamada empuje, como se observa en la figura 1:

Arquimedes1.JPG

Equipo Requerido

  • Computador con el programa DataStudio
  • Sensor de fuerza (suspendido de un soporte)
  • 1 Probeta graduada de 100 mL
  • Piola
  • Agua
  • Interfaz Pasco ScienceWorkshop
  • Cilindros de diferentes materiales
  • 1 banco de altura graduable
  • Sal

Procedimiento

Parte I. Configuración de la interfaz y el sensor

1. Conecte la interfaz Science Workshop al computador y enciéndala.

2. Conecte el sensor de fuerza al canal analógico A de la interfaz.

3. Ejecute el programa DataStudio. Seleccione Crear Experimento e instale el sensor, usando el botón Añadir sensor de la ventana de Configuración del experimento. Los parámetros de configuración son los siguientes:

Sensor de fuerza Medidas: Fuerza-canal A Velocidad de muestreo: 10 Hz

4. Realice el montaje de los elementos como se indica en la Figura 2:

a) Coloque suficiente agua dentro de la probeta graduada (más o menos 70 mL) y ubíquela sobre el banco de altura variable justo debajo del sensor.
b) Tare (ponga en cero) el sensor de fuerza.
c) Escoja uno de los cilindros que se le han suministrado y suspéndalo del sensor de fuerza de tal manera que quede en el interior de la probeta pero sin tocar el agua.

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5. En esta práctica, los datos del volumen que va desplazando el objeto a medida que es sumergido en el fluido se introducirán manualmente, mientras el equipo registrará la fuerza indicada por el sensor. Para configurar este tipo de medida, seleccione Opciones de muestreo en la ventana de Configuración del experimento. En la pestaña Muestreo manual seleccione la opción Conservar valores de datos sólo si se solicita, manteniendo habilitadas las opciones Escribir valor con el teclado… y Solicitar un valor.

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6. Presione el botón Editar todas las propiedades para especificar el nombre de la medición y de la variable, así como sus unidades; haga igualmente una breve descripción de la medida y haga clic en Aceptar.

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7. La información introducida quedará actualizada en la ventana Opciones de muestreo. Presione el botón Aceptar.

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8. Para visualizar gráficamente las medidas haga clic sobre el icono Gráfico de la ventana de Pantallas y seleccione la fuente de datos (en este caso Fuerza). Presione Aceptar.

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9. Cree un gráfico Fuerza vs. Volumen arrastrando la variable Volumen de la ventana de Datos y reemplazando con ella la variable Tiempo del gráfico.

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Parte II. Toma de datos

1. Para comenzar la toma de datos, oprima el botón Inicio. Este debe cambiar a:

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2. Con el cilindro justo sobre la superficie del agua, haga clic en Conservar. El programa le pedirá que especifique un valor para el volumen sumergido. En este caso debe ingresar 0 mL.

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3. Eleve lentamente el banco para sumergir el objeto. Cuando el nivel del agua suba un 1 mL, haga clic de nuevo en Conservar para registrar el siguiente dato. Continúe realizando este procedimiento hasta que el objeto quede completamente sumergido en el fluido.

4. Termine el proceso de la toma de datos presionando el botón detener.

5. Repita el procedimiento anterior cambiando el cilindro y luego variando la densidad del fluido agregándole al agua un poco de sal.

Nota. También puede ver los datos tomados en forma de Tabla arrastrando el icono de Fuerza vs. Volumen de la lista de Datos a la opción Tabla de la lista Pantallas.

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Escoja muy bien el número de cifras significativas con las cuales va a trabajar y reportar sus resultados.

Análisis

1. ¿A qué fuerza corresponde la registrada por el sensor? Explique.

2. ¿Concuerda el comportamiento obtenido entre la fuerza registrada y el volumen sumergido con el que esperaba? Explique.

3. Realice el ajuste que más se acomode a sus datos e interprete todos los parámetros que este le arroja. (ej.: Ajuste lineal, cuadrático, polinómico, etc.)

4. Determine con los resultados obtenidos la densidad de los fluidos empleados. ¿Cómo puede obtener esta información a partir de las medidas realizadas?

5. Determine las incertidumbres absoluta y relativa, así como el error relativo para las densidades encontradas (no olvide para esto registrar las incertidumbres de medición).

6. ¿Cambian sus resultados al cambiar de material del cilindro? Explique.

Bibliografía

D. C. Baird. Experimentación. Una introducción a la teoría de mediciones y diseño de experimentos. 2ª edición. Pearson Educación, México, 1991.

PASCO Scientific. Physics Labs with Computers, volume I: Student Workbook. Roseville CA, 1999.

Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria, volumen 1. Undécima edición. Pearson Educación, México, 2005.

Raymond A. Serway, Robert J. Beichner. Física para Ciencias e Ingeniería, tomo I. McGraw-Hill, México, 2002.

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