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ARQUIMEDES

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ARQUIMEDES

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INTRODUCCIÓN

Nació y murió en Siracusa. Fue sin duda el mayor matemático y físico de la antigüedad. Arquímedes, aristócrata en cuerpo y alma, era hijo del astrónomo Fidias. Se dice que era pariente de Hierón II. De todos modos se hallaba en excelentes relaciones con Hierón II y su hijo Gelón, quienes tenían por él gran admiración.

Aprendió probablemente de su padre un sin fin de disciplinas matemáticas, para proseguir sus estudios en la escuela de Alejandría, Egipto. En Egipto hizo su primer gran invento, la cóclea, una especie de máquina que servía para elevar Las aguas y regar ciertas regiones del Nilo, donde no Llegaba el agua durante

Las inundaciones. De vuelta a Siracusa, alternó inventos mecánicos con estudios de mecánica teórica y altas matemáticas. Entre sus inventos cabe destacar numerosas máquinas de guerra, un método para la determinación del peso específico de los cuerpos y un planetario mecánico. Su historia está llena de anécdotas y algunas de sus frases han pasado a la historia: Dame un punto de apoyo y moveré la Tierra, que resume el principio de la palanca, formulado por Arquímedes.

Según la tradición, Arquímedes es el tipo perfecto del gran matemático que el pueblo Concibe. Se olvidaba de comer cuando estaba ensimismado en La Matemática. Su falta de atención por el vestido quedó de manifiesto cuando hizo su descubrimiento fundamental de que un cuerpo que flota pierde de peso una cantidad igual a la del líquido que desaloja (principio de Arquímedes) salió del baño, en el cual había hecho el descubrimiento al observar su propio cuerpo flotante, y corrió por las calles de Siracusa, completamente desnudo, gritando: Eureka,… Eureka (lo encontré,… lo encontré). Lo que había encontrado era la primera Ley de la Hidrostática.

Refiere la historia que un orfebre había adulterado el oro de una corona para Hierón II mezclándolo con plata, y el tirano, al sospechar el engaño, había planteado a Arquímede5 el problema. Cualquier estudiante sabe cómo se resuelve, mediante un simple experimento, y algunas fáciles cuentas aritméticas, basadas en el peso específico

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Arquímedes fue una especie de águila solitaria. Siendo joven había estudiado breve tiempo en Alejandría Egipto, donde contrajo dos amistades íntimas, Conan, un matemático de talento por quien Arquímedes5 tenía un alto concepto personal e intelectual, y Eratóstenes, también buen matemático. Estos dos, particularmente Conan, parece que fueron los únicos hombres a quienes Arquímedes participó sus pensamientos seguro de ser Comprendido Algunos de sus trabajos más complicados fueron comunicados por cartas a Canon. Más tarde, cuando Canon murió, Arquímede5 mantuvo correspondencia con Dositeo, un discípulo de Conan.

I. BIOGRAFÍA

Hay pocos datos fiables sobre la vida de Arquímedes. Sin embargo, todas las fuentes coinciden en que era natural de Siracusa y que murió durante el desenlace del sitio de Siracusa. Arquímedes nació c. 287 a. C. en el puerto marítimo de Siracusa (Sicilia, Italia), ciudad que en aquel tiempo era una colonia de la Magna Grecia. Conociendo la fecha de su muerte, la aproximada fecha de nacimiento está basada en una afirmación del historiador bizantino Juan Tzetzes, que afirmó que Arquímedes vivió hasta la edad de 75 años.

Entre los pocos datos ciertos sobre su vida, Diodoro Sículo nos aporta uno según la cual es posible que Arquímedes, durante su juventud, estudiase en Alejandría, en Egipto. El hecho de que Arquímedes se refiera en sus obras a científicos cuya actividad se desarrollaba en esa ciudad, abona la hipótesis: de hecho, Arquímedes se refiere a Conon de Samos como su amigo en Sobre la esfera y el cilindro, y dos de sus trabajos (El Método de los Teoremas Mecánicos y el Problema del Ganado) están dedicados a Eratóstenes de Cirene. 

Arquímedes murió c. 212 a. C. durante la Segunda Guerra Púnica, fue asesinado al final del asedio por un soldado romano, contraviniendo las órdenes del general romano, Marcelo, de respetar la vida del gran matemático griego. Existen diversas versiones de la muerte de Arquímedes: Plutarco, en su relato, nos da hasta tres versiones diferentes. De acuerdo con su relato más popular, Arquímedes estaba contemplando un diagrama matemático cuando la ciudad fue tomada. Un soldado romano le ordenó ir a encontrarse con el General, pero Arquímedes hizo caso omiso a esto, diciendo que tenía que resolver

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antes el problema. El soldado, enfurecido ante la respuesta, mató a Arquímedes con su espada. Sin embargo, Plutarco también brinda otros dos relatos menos conocidos de la muerte de Arquímedes, el primero de los cuales sugiere que podría haber sido asesinado mientras intentaba rendirse ante un soldado romano, y mientras le pedía más tiempo para poder resolver un problema en el que estaba trabajando. De acuerdo con la tercera historia, Arquímedes portaba instrumentos matemáticos, y fue asesinado porque el soldado pensó que eran objetos valiosos. Tito Livio, por su parte, se limita a decir que Arquímedes estaba inclinado sobre unos dibujos que había trazado en el suelo cuando un soldado que desconocía quién era le mató. En cualquier caso, según todos los relatos, el general Marcelo se mostró furioso ante la muerte de Arquímedes, debido a que lo consideraba un valioso científico, y había ordenado que no fuera herido.

Los relatos sobre Arquímedes fueron escritos por los historiadores de la antigua Roma mucho tiempo después de su muerte. El relato de Polibio sobre el asedio a Siracusa en su obra Historias (libro VIII) fue escrito alrededor de setenta años después de la muerte de Arquímedes, y fue usado como fuente de información por Plutarco y Tito Livio. Este relato ofrece poca información sobre Arquímedes como persona, y se enfoca en las máquinas de guerra que se decía que había construido para defender la ciudad.

II. ESCRITOS 

Las obras de Arquímedes fueron originalmente escritas en

griego dórico, el dialecto hablado en la antigua Siracusa.

El trabajo escrito de Arquímedes no se ha conservado tan

bien como el de Euclides, y siete de sus tratados sólo se

conocen a través de referencias hechas por otros autores.

Pappus de Alejandría, por ejemplo, menciona Sobre hacer

esferas y otro trabajo sobre

poliedros, mientras que Teón

de Alejandría cita un comentario

sobre la refracción de una

obra perdida titulada Catoptrica.

Durante su vida, Arquímedes

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difundió los resultados de su trabajo a través de la

correspondencia que mantenía con los matemáticos de

Alejandría. Los escritos de Arquímedes fueron recolectados

por el arquitecto bizantino Isidoro de Mileto (c. 530 d. C.),

mientras que los comentarios sobre los trabajos de

Arquímedes escritos por Eutocio en el siglo VI ayudaron a

difundir su trabajo a un público más amplio. La obra de

Arquímedes fue traducida al árabe por Thābit ibn Qurra

(836–901 d. C.), y al latín por Gerardo de Cremona (c. 1114–

1187 d. C.). Durante el Renacimiento, en 1544, el Editio

Princeps (Primera edición) fue publicado por Johann

Herwagen en Basilea, con la obra de Arquímedes en griego y

latín. Alrededor del año 1586, Galileo Galilei inventó una

balanza hidrostática para pesar metales en aire y agua que

aparentemente estaba inspirada en la obra de Arquímedes. 

Page 6: ARQUIMEDES

III. DESCUBRIMIENTOS E INVENCIONES.

1. LA PALANCA. Entre sus mas conocidos aportes está el

estudio de los 3 géneros de palancas, que se simbolizan con:

el sube y baja, la carretilla y la caña de pescar. Pudo

desarrollar con sencillas proporciones, las longitudes

necesarias y los esfuerzos que se debían realizar para

levantar pesadas cargas. Es conocida su frase “ Dadme una

palanca y un punto de apoyo y moveré el mundo”

Fuerzas actuantes

Sobre la barra rígida que constituye una palanca actúan 3

fuerzas y 2 brazos de potencia:

La potencia; P: es la fuerza que aplicamos

voluntariamente con el fin de obtener un resultado;

ya sea manualmente o por medio de motores u

otros mecanismos.

La resistencia; R: es la fuerza que vencemos,

ejercida sobre la palanca por el cuerpo a mover. Su

valor será equivalente, por el principio de acción y

reacción, a la fuerza transmitida por la palanca a

dicho cuerpo.

La fuerza de apoyo: es la ejercida por el fulcro

sobre la palanca. Si no se considera el peso de la

barra, será siempre igual y opuesta a la suma de

las anteriores, de tal forma de mantener la palanca

sin desplazarse del punto de apoyo, sobre el que

rota libremente.

Brazo de potencia; Bp: la distancia entre el

punto de aplicación de la fuerza de potencia y el punto de

apoyo.

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Brazo de resistencia; Br: distancia entre la fuerza de

resistencia y el punto de apoyo.

Ley de la palanca

En física, la ley que relaciona las fuerzas de una palanca en

equilibrio se expresa mediante la ecuación:

Ley de la palanca: Potencia por su brazo es igual a

resistencia por el suyo. Siendo P la potencia, R la

resistencia, y Bp y Br las distancias medidas desde el

fulcro hasta los puntos de aplicación

de P y Rrespectivamente, llamadas brazo de

potencia y brazo de resistencia.

2. TORNILLO DE ARQUÍMEDES

El famoso tornillo era una superficie helicoidal arrollada

sobre un eje y por medio del sobre un eje y por medio del

giro de una manivela, permitía elevar agua y así regar varias

zonas de cultivo, además de otros usos domésticos.

Es la base de los tornillos actuales, de los elevadores de

actuales, de los elevadores de granos y de las bombas a

tornillo que se usan para mover líquidos espesos como por

ejemplo el dentífrico, pasta de celulosa para la industria del

papel u otras industrias del papel u otras pastas industriales.

Page 8: ARQUIMEDES

3. LA CORONA DORADA.

En el siglo III a.C., en la ciudad de Siracusa

gobernaba el rey Hierón II. Este rey encargó la

elaboración de una nueva corona de oro a un

orfebre, a quien dio un lingote de oro puro para

realizarla.

Cuando el orfebre terminó el trabajo y entregó la

corona, al rey comenzó a asaltarle una duda. El

orfebre pudo haber sustituido parte del oro por una

cantidad de cobre de forma que el peso de la corona

fuese el mismo que el del lingote. El rey encargó a

Arquímedes, famoso sabio y matemático de la

época, que estudiase el caso.

El problema era complejo y Arquímedes estuvo un tiempo

pensándolo. Un día, estando en los baños, se dio cuenta de que,

al introducirse en una bañera rebosante de agua, ésta se vertía

al suelo. Ese hecho le dio la clave para resolver el problema y

se cuenta que, lleno de alegría, salió a la calle desnudo

gritando: «¡Eureka!», que en griego significa: «¡Lo encontré!» o

«¡Lo resolví!».

Arquímedes pesó la corona y al poder determinar exactamente

el volumen, pudo con esto calcular su volumen, pudo con esto

calcular peso específico, debido a la fuerza de empuje que

provocan los líquidos.

Pe = P / V( kgf/ dm3 )

Page 9: ARQUIMEDES

Pudo determinar que la corona era falsa y el deshonesto

orfebre no la pasó muy bien. Estos estudios luego fueron

empleados en varios usos, siendo los mas reconocidos : los

barcos que mediante su línea de flotación, se puede calcular la

carga máxima y también los submarinos que cuentan con

tanques que se llenan de agua cuando quieren sumergirse y se

vacían para poder subir a la

4. LA GARRA DE ARQUÍMEDES

La garra de Arquímedes era un brazo similar al de las grúas

que Arquímedes usó como arma de asedio contra los barcos

romanos.

La garra de Arquímedes es un

arma que fue diseñada para

defender la ciudad de Siracusa

del asedio al que la habían

sometido los romanos.

También conocida como "el

agitador de barcos", la garra consistía en un brazo

semejante a una grúa de donde estaba suspendido un

enorme gancho de metal. Cuando se dejaba caer la garra

sobre un barco enemigo el brazo se balancearía en

sentido ascendente, levantando el barco fuera del agua y

posiblemente hundiéndolo. Ha habido experimentos

modernos con la finalidad de probar la viabilidad de la garra, se

construyo una versión real del arma y se concluyó que era un

dispositivo tan factible como cualquier otro actual. 

5. LOS RAYOS DE CALOR

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Arquímedes ideó una manera de utilizar la luz del Sol para

incendiar barcos, mediante la utilización de una gran

cantidad de espejos enfocados en un mismo punto. De esta

manera, se generaba una temperatura tan elevada que las

embarcaciones comenzaban a arder. Cuenta la leyenda que

al hallarse sitiado en Siracusa, por los romanos, Arquímedes

utilizó el rayo de calor para repeler uno de sus ataques.

6. EL PALIMPSESTO DE ARQUÍMEDES 

Es una de las principales fuentes a partir de las cuales se

conoce la obra de Arquímedes. En 1906, el profesor Johan

Ludvig Heiberg visitó Constantinopla y examinó un

pergamino de piel de cabra de 174 páginas con oraciones

escritas en el siglo XIII d. C. Descubrió que se trataba de un

palimpsesto, un documento

con texto que ha sido

sobrescrito encima de una

obra anterior borrada. Los

palimpsestos se creaban

mediante el rascado de la tinta

de obras existentes para luego

reusar el material sobre el que

estaban impresas, lo cual era una práctica común en la Edad

Media debido a que el papel vitela era caro. Las obras más

viejas que se podían encontrar en el palimpsesto fueron

identificadas por los académicos como copias del siglo X de

tratados de Arquímedes que anteriormente eran

desconocidos. El pergamino pasó cientos de años en la

biblioteca de un monasterio de Constantinopla, antes de ser

vendido a un coleccionista privado en la década de 1920. El

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29 de octubre de 1998 fue vendido en una subasta a un

comprador anónimo por dos millones de dólares en

Christie's, Nueva York. El palimpsesto contiene siete

tratados, incluyendo la única copia hasta entonces conocida

de la obra Sobre los cuerpos flotantes en el original en

griego. Es también la única fuente de El método de los

teoremas mecánicos, al que se refirió Suidas y que se creyó

perdido para siempre. Stomachion también fue descubierto

en el palimpsesto, con un análisis más completo del puzzle

que el que se podía encontrar en textos anteriores. 

7. TRABAJOS CONSERVADOS 

a) SOBRE EL EQUILIBRIO DE LOS PLANOS (DOS

VOLÚMENES) 

El primer libro consta de quince proposiciones con siete

axiomas, mientras que el segundo consta de diez

proposiciones. En esta obra, Arquímedes explica la ley de

la palanca, afirmando lo siguiente: 

Las magnitudes están en equilibrio a distancias

recíprocamente proporcionales a sus pesos.

Arquímedes usa los principios derivados para calcular las

áreas y los centros de gravedad de varias figuras

geométricas, incluyendo triángulos, paralelogramos y

parábolas. 

b) SOBRE LA MEDIDA DE UN CÍRCULO 

Se trata de una obra corta, consistente en tres

proposiciones. Está escrito en forma de una carta a

Dositeo de Pelusio, un alumno de Conón de Samos. En

la proposición II, Arquímedes muestra que el valor del

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número π (Pi) es mayor que 223/71 y menor que 22/7.

Esta cifra fue utilizada como aproximación de π a lo

largo de la Edad Media e incluso aún hoy se utiliza

cuando se requiere de una cifra aproximada. 

c) SOBRE LAS ESPIRALES 

Esta obra, compuesta de 28 proposiciones, también

está dirigida a Dositeo. El tratado define lo que hoy se

conoce como la espiral de Arquímedes. Esta espiral

representa el lugar geométrico en el que se ubican los

puntos correspondientes a las posiciones de un punto

que es desplazado hacia afuera desde un punto fijo con

una velocidad constante y a lo largo de una línea que

rota con una velocidad angular constante. En

coordenadas polares, (r, θ) la elipse puede definirse a

través de la ecuación 

siendo a y b números reales. Este es uno de los

primeros ejemplos en los que un matemático griego

define una curva mecánica (una curva trazada por un

punto en movimiento). 

d) SOBRE LA ESFERA Y EL CILINDRO (DOS

VOLÚMENES) 

En este tratado, dirigido también a Dositeo, Arquímedes

llega a la conclusión matemática de la que estaría más

orgulloso, esto es, la relación entre una esfera y un

cilindro cirscunscrito con la misma altura y diámetro. El

volumen es   para la esfera, y 2πr3 para el cilindro.

El área de la superficie es 4πr2 para la esfera, y 6πr2

para el cilindro (incluyendo sus dos bases), donde r es el

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radio de la esfera y del cilindro. La esfera tiene un área

y un volumen equivalentes a dos tercios de los del

cilindro. A pedido del propio Arquímedes, se colocaron

sobre su tumba las esculturas de estos dos cuerpos

geométricos. 

e) SOBRE LOS CONOIDES Y ESFEROIDES 

Este es un trabajo en 32 proposiciones y también

dirigido a Dositeo en el que Arquímedes calcula las

áreas y los volúmenes de las secciones de conos, esferas

y paraboloides. 

f) SOBRE LOS CUERPOS FLOTANTES (DOS

VOLÚMENES) 

En la primera parte de este tratado, Arquímedes explica

la ley del equilibrio de los fluidos, y prueba que el agua

adopta una forma esférica alrededor de un centro de

gravedad. Esto puede haber sido un intento de explicar

las teorías de astrónomos griegos contemporáneos,

como Eratóstenes, que afirmaban que la tierra es

esférica. Los fluidos descritos por Arquímedes no son

auto-gravitatorios, debido a que él asume la existencia

de un punto hacia el cual caen todas las cosas, del cual

deriva la forma esférica. En la segunda parte,

Arquímedes calcula las posiciones de equilibrio de las

secciones de los paraboloides. Esto fue, probablemente,

una idealización de las formas de los cascos de los

barcos. Algunas de sus secciones flotan con la base bajo

el agua y la parte superior sobre el agua, de una manera

similar a como flotan los icebergs. Arquímedes define en

Page 14: ARQUIMEDES

su obra el principio de flotabilidad de la siguiente

manera: 

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un

empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido

desalojado.

g) LA CUADRATURA DE LA PARÁBOLA 

En este trabajo de 24 proposiciones, dirigido a Dositeo,

Arquímedes prueba a través de dos métodos distintos

que el área cercada por una parábola y una línea recta

es 4/3 multiplicado por el área de un triángulo de igual

base y altura. Obtiene este resultado calculando el

valor de una serie geométrica que suma al infinito con

el radio 1/4. 

h) OSTOMACHION 

En esta obra, cuyo tratado más completo que lo

describe se encontró dentro del Palimpsesto de

Arquímedes, Arquímedes presenta un rompecabezas de

disección similar a un Tangram. Arquímedes calcula las

áreas de 14 piezas que pueden ser ensambladas para

formar un cuadrado. Una investigación publicada en

2003 por el Doctor Dr. Reviel Netz de la Universidad de

Stanford argumentaba que Arquímedes estaba

intentando determinar en cuántas formas se podía

ensamblar las piezas para formar un cuadrado. Según

Netz, las piezas pueden formar un cuadrado de 17.152

maneras distintas. El número de disposiciones se

reduce a 536 cuando se excluyen las soluciones que son

equivalentes por rotación y reflexión. Este puzle

Page 15: ARQUIMEDES

representa un ejemplo temprano de un problema de

combinatoria. 

i) EL PROBLEMA DEL GANADO DE ARQUÍMEDES 

Esta obra fue descubierta por Gotthold Ephraim

Lessing en un manuscrito griego consistente en un

poema de 44 líneas, en la Herzog August Library en

Wolfenbüttel, Alemania, en 1773. Está dirigida a

Eratóstenes y a los matemáticos de Alejandría y, en

ella, Arquímedes los reta a contar el número de reses

en la Manada del Sol, resolviendo un número de

ecuaciones diofánticas simultáneas. Hay una versión

más difícil del problema en la cual se requiere que

algunas de las respuestas sean números cuadrados.

Esta versión del problema fue resuelta por primera vez

por A. Amthor en 1880, y la respuesta es un número

muy grande, aproximadamente 7,760271×10206544.

j) EL CONTADOR DE ARENA 

En este tratado, Arquímedes cuenta el número de

granos de arena que entrarían en el universo. Este libro

menciona la teoría heliocéntrica del Sistema solar

propuesta por Aristarco de Samos, e ideas

contemporáneas acerca del tamaño de la Tierra y las

distancias de varios cuerpos celestes. Usando un

sistema de números basado en la capacidad de la

miríada, Arquímedes concluye que el número de granos

de arena que se requerirían para llenar el universo

sería de 8×1063, en notación moderna.

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k) EL MÉTODO DE TEOREMAS MECÁNICOS 

Este tratado, que se considerado perdido, fue

reencontrado gracias al descubrimiento del

Palimpsesto de Arquímedes en 1906. En esta obra,

Arquímedes emplea el cálculo infinitesimal, y muestra

cómo el método de fraccionar una figura en un número

infinito de partes infinitamente pequeñas puede ser

usado para calcular su área o volumen. Arquímedes

pudo haber considerado que este método carecía del

suficiente rigor formal, por lo que utilizó también el

método de exhausción para llegar a los resultados. Al

igual que El problema del ganado, El método de

teoremas mecánicos fue escrito en forma de una carta

dirigida a Eratóstenes de Alejandría. 

IV. EL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES.

1. INTRODUCCIÓN.

Este tal vez sea el más utilizado de sus inventos. Cuenta la

historia que el tirano Hierón quería regalarle una corona

de oro a su esposa, entonces le encargó a su orfebre que

se la construyera usando una barra de oro que él le

proporcionaría. Al cabo de un cierto tiempo la corona

estaba terminada, había que dado muy bien pero Hierón

tenía la duda que el orfebre la había hecho de bronce y la

había recubierto con oro guardándose el resto de ese

precioso metal. Le encomendó a Arquímedes la tarea de

averiguar si la corona era o no maciza (sin romperla), pero

con un plazo determinado, al cabo del cual mataría al

sabio.

Page 17: ARQUIMEDES

Preocupado, porque veía que pasaban los días y su plazo

se iba agotando, al término de una jornada de intenso

trabajo, decidió ir a la casa de baños públicos a

sumergirse en la tina(recordemos que en esa época solo

tenían esas comodidades las personas muy importantes y

adineradas).

Al introducirse en la tina, pudo observar como se

derramaba el agua por los bordes y así comprendió que el

volumen de su cuerpo, era igual al volumen del líquido

desalojado. De esta forma podría medir el volumen de la

irregular corona.

Era tan grande la alegría por haber salvado su vida que

salió gritando por todo el pueblo EUREKA !EUREKA ! (que

significa lo descubrí). Pero no se dio cuenta que estaba

desnudo.

2. El principio de Arquímedes o primer principio de

hidrostática

Viene siendo utilizado por el hombre desde hace unos

2200 años el volumen de un solido irregular puede

determinarse midiendo la perdida aparente de peso

cuando se introduce completamente en un liquido de

densidad relativa conocida. La densidad relativa de los

Page 18: ARQUIMEDES

líquidos puede determinarse por la profundidad de

inmersión de un hidrómetro. Otras aplicaciones

comprenden la teoría general de la flotación y problemas

de ingeniería naval.

Todo cuerpo, sumergido total o parcialmente en un líquido

sufre un empuje vertical hacia arriba igual al peso del

líquido desplazado. El punto en el que actúa la fuerza se

llama centro de empuje coincide con el centro de

gravedad del liquido desplazado.

“Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un

líquido experimenta un empuje vertical (fuerza vertical)

ascendente igual al peso del volumen del líquido

desalojado”.

3. Demostración:

Sea el caso de un cuerpo sólido cualquiera flotando en un

líquido, existe un estado de equilibrio debido a que el líquido

ejerce sobre el cuerpo una presión ascendente de igual

magnitud que el peso propio

del cuerpo, que se puede calcular a partir de los resultados

anteriores.

Page 19: ARQUIMEDES

Parcialmente Sumergido

∑ Fv=φ en el volumen de

control.

dFV 2−dFV 1=dE

dE=( pa+γh )dA H−padA H

dE=pa dAH +γ hdA H−pa dAH

dE=γ hdAH

E=γ∬AhdAH

La integral es igual al

volumen (∀s ) de la parte del

cuerpo en flotación que se

encuentra debajo de la

superficie libre del líquido;

esto es:

E=γ ∀s

Totalmente Sumergido

∑ Fv=φ en el volumen de

control

dE=dFV 2−dFV 1

dE=γh2dA H−γh1dAH

dE=γ dAH (h2−h1 )

dE=γ hdAH

E=γ∬AhdAH

E=γ ∀s

∀s = Volumen del líquido desalojado (volumen del cuerpo

sumergido)

γ = Peso específico del líquido.

4. relación entre el empuje y el peso del cuerpo

sumergido

Sea :

W= El peso total del cuerpo

E = Empuje del fluido sobre el cuerpo

Page 20: ARQUIMEDES

1.- Si E < W, el cuerpo tiende a ir hacia el fondo

2.- Si E = W, el equilibrio del cuerpo es estable (el

cuerpo se mantiene sumergido en la posición

en que se le deje) “Flotación en Equilibrio”.

3.- Si E > W, el cuerpo tiende a ir hacia la superficie.

5.- EJERCICIOS SOLUCIONADOS

5.1 Una piedra pesa 54 Kg en el aire y 24 Kg cuando está sumergida en el agua. Calcular el volumen y la densidad relativa de la piedra.

Solución:

Todos los problemas en trabajos de ingeniería se analizan mucho mejor mediante el empleo del diagrama de cuerpo libre. Con referencia a la figura adjunta, se indica en ella el peso total de 54 Kg que actúa hacia abajo, la tracción en la cuerda de unión a la balanza de 24 Kg dirigida hacia arriba y el empuje Pv que actúa hacia arriba. De

∑Y =0

Se tiene 54 – 24 – Pv = 0 y Pv = 30 Kg

Como el empuje = al peso del líquido desplazado

24 Kg = 1000Kg/m3 x υ y υ = 0.024 m3

Densidad relativa = Pesode la piedra

Peso deun volumen igual alagua=5424

=2.25

5.2 ¿Qué fracción del volumen de una pieza sólida de metal de densidad relativa 7.25 flotará sobre la superficie del mercurio, de densidad relativa 13.57, contenido en un recipiente?

Solución:

Page 21: ARQUIMEDES

El diagrama del cuerpo libre indica que de ∑Y =0 ,W−Pv=0

O peso del cuerpo = empuje (peso del mercurio desplazado)

7.25 x 1000 υ = 13.57 x 1000 υ’

Y, por tanto, la relación de los volúmenes:

υ’/ υ = 7.25/13.57 = 0.535

De aquí la fracción del volumen sobre el mercurio es igual a:

1 – 0.535 = 0.465

5.3 ¿A qué profundidad se hundirá un tronco de 2.40 m. de diámetro y 4.50 m. de longitud, en agua dulce, si la densidad relativa de la madera es de 0.425?

Solución:

En la Figura que se muestra, se dibuja con el centro O del tronco sobre la superficie libre del agua, ya que su densidad relativa es mejor de 0.5000. Si la densidad relativa fuera 0.500 estaría sumergida la mitad del tronco.

Peso total del tronco = peso del líquido desplazado

Sector – 2 triángulos

0.425 x1000 x π 1.22 x 4.5=1000 x 4.5¿)

Simplificando y sustituyendo 12

sen 2ϴ por senϴ .cosϴ

0.425 π= ϴπ180

−12

sen 2ϴ

Resolviendo por aproximaciones sucesivas:

Para ϴ = 85°; 1.335

85π/180 – 12 (0.1737)

1.335 1.397

Page 22: ARQUIMEDES

Para ϴ = 83°; 1.335 1.449 – 12 (0.242)

1.335 1.328

El valor buscado está entre los dos ensayados.

Para ϴ = 83°10’ ; 1.335 1.451 – 12 (0.236)

= 1.333 (suficiente aproximado)

La profundidad con que flota DC = r – OD = 1.2 – 1.2 cos83°10’

= 1.2(1-0.119) = 1.057 m.

5.4 ejercicio propuesto.

Una esfera de radio `R´ elaborada con un material de densidad relativa (D.R). Se sumerge en un tanque de agua. La esfera se coloca sobre un agujero de radio ¨a¨ en el fondo del tanque, desarrolle una expresión general para el rango de D.R. para las cuales la esfera flotaría hacia la superficie, de acuerdo con las dimensiones dadas. Determinar la densidad relativa mínima requerida para que la esfera se mantenga en la posición mostrada.

E I J F

H =0.80 P h

G R= 20 m.m

C GG G D

A Z B

a = 2m.m

SOLUCION:

Page 23: ARQUIMEDES

Datos: m = √ R2−r2 H = 0.80 m m = 0.0198 mR = 0.020 m h = H - mb = 0.004 m h = 0.7802 mr = a = 0.002m R2 = 12 + m2

m = 0. 0199 h = 0.8 – 0.0199 h = 0.7801

a) FUERZA SOBRE EL HEMISFRIO :

= F1

= δ ¿

= δ [π . R2 . h−12 ( 34 π R3)]

F1 = 0.96 KG.

b) FUERZA VECTORIAL HACIA ARRIBA SOBRE AC Y BD :

= F2

= δ ¿

= δ [ 16 π .m (3 R2+3 r2+m2)−( π r2m )+( π R2h−π r2h )]= δ [9.78 x10−4+1.67 x 10−5 –6.25 x10−8 ]

F2 = 9.773 x 10−4 (δ ) 0.99 KG. = E

E = F2−¿ F 1¿ E - P = 0.96KG – 0.95KG.

c) PESO DE LA ESFERA ( W ) :

W ESFERA = δ esf * ∀esf

W ESFERA RESF * δESF * ∀ESF

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W ESFERA = 0.034 D.R. KG.

d) FLOTARÁ LA ESFERA CUANDO:

0.02 KG > 0.034 DR. KG. Esfera

0.59 > D.R.

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V. Reconocimientos  a Arquímedes

En 1935 se decide en su honor llamarle «Arquímedes» a un cráter lunar (29.7° N, 4.0° W) ubicado en la zona oriental del Mare Imbrium. También lleva su nombre la cordillera lunar «Montes de Arquímedes» (25.3° N, 4.6° W). El asteroide 3600 Arquímedes fue también nombrado debido a él. También el asteroide 3600 Archimedes recibió ese nombre en su honor. 

La Medalla Fields, galardón otorgado a los logros matemáticos más destacados, lleva un retrato de Arquímedes, junto con su prueba acerca de la relación matemática entre las áreas y volúmenes de la esfera y el cilindro. La inscripción alrededor de la cabeza de Arquímedes es una cita atribuida a él, que dice en latín: "Transire suum pectus mundoque potiri" (Superarse uno mismo y dominar el mundo). 

 

Arquímedes ha aparecido en emisiones de sellos de Alemania del Este (1973), Grecia (1983), Italia (1983), Nicaragua (1971), San Marino (1982), y España (1963). 

La exclamación ¡Eureka!, atribuida a Arquímedes, es el lema del estado de California. En este caso, sin embargo, la

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palabra hace referencia al momento del descubrimiento de oro cerca de Sutter's Mill en 1848, que desató la Fiebre del oro en California.

VI. Conclusiones:

ARQUIMEDES, es un precursor de la matemática, que

atreves de ellas realizo muchos descubrimientos e

invenciones que hasta la actualidad son utilizados.

Arquímedes probó que la esfera sobre ella. Arquímedes

probó que la esfera tiene dos tercios de volumen y

superficie del cilindro (incluyendo las bases de estos), lo

cual consideró el más grande de sus descubrimientos

matemáticos.

Se logró demostrar el principio de Arquímedes mediante

una práctica asignada para el curso de Ingeniería

Hidráulica.

Cuando un cuerpo flota, la densidad de este es menor a la

densidad del agua y cuando este se sumerge, la densidad

de es mayor que la densidad del agua que según las

condiciones de equilibrio los cuerpos son estables,

inestables e indiferentes.

Se pudo desarrollar un concepto mas claro, avanzado y

específico del que se tenía con base en los fundamentos

teóricos referente al principio de Arquímedes

Se estimuló un interés apropiado hacia el campo de la

física, a partir de la práctica hecha, teniendo en cuenta,

que dicha actividad nos servirá para un futuro cercano,

aplicándola a nuestra vida o con un determinado fin.

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EL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES es indispensable para

el estudio de la mecánica de fluidos (hidrostática) ya que

nos ayuda a conocer la densidad de los cuerpos.

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VII. BIBLIOGRAFÍA

libros

CÁCERES NEYRA, Alejandro - “Problemas de

Hidráulica I”.

LOAYZA RIVAS, Carlos - “Mecánica de Fluidos I”.

RANALD V. Giles - “Mecánica de Fluidos e Hidráulica”.

MATAIX, Claudio - Mecánica de fluidos y Maquinas

hidráulicas -

BARRERO RIPOLL, Antonio - “Mecánica de Fluidos”.

“Libro de Problemas”

M. C. POTTER, D. C. WIGGERT, “Mecánica De Fluidos”.

Paginas web.

http://club.telepolis.com/hatilax/enlaces%20fisica.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Arqu%C3%ADmedes

http://html.rincondelvago.com/principio-de-

arquimedes.html

file:///C:/Documents%20and%20Settings/luis/

Escritorio/Arqu%C3%ADmedes%20Power%20Point.htm

http://www.biografiasyvidas.com/biografia/a/

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http://centros5.pntic.mec.es/ies.de.bullas/dp/matema/

conocer/arquimedes.htm

http://www.portalplanetasedna.com.ar/arquimedes.htm

http://es.wikiquote.org/wiki/Arqu%C3%ADmedes

http://perso.gratisweb.com/grupopascal/FLUIDOS

%20Profe/FLUIDOS%20Profe/Carpeta%20unidad/

arquimedes/EMPUJE.htm

http://html.rincondelvago.com/principio-de-

arquimedes.html