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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE
“AÑO DE LA PROMOCIÓN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO
CLIMÁTICO”
PRINCIPIO DE ARQUIMEDES
Profesor(a):
Vasquez Arias, Carlos Alberto
Aula A-102
Integrantes:
Ayala Brown, Raquel Obdulia
Flores Barreto, María Cecilia
Silva Pérez, Miguel Ángel
Yzusqui Valdez, Cesar Maycol
Los Olivos, febrero de 2015
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INDICE
1. OBJETIVOS ............................................................................................................................. 4
2. MARCO TEORICO.................................................................................................................... 4
4. CONCLUSIONES.................................................................................................................... 13
5. RECOMENDACIONES............................................................................................................ 13
6. BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... 14
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INTRODUCCION
En la naturaleza encontramos una serie de fenómenos que suceden a diario y que en
algunas ocasiones pasan desapercibidos para nuestros ojos. Él poder comprender de
manera más amplia estos fenómenos nos ayuda a entender mejor como se comportan
algunas fuerzas que entran en acción bajo ciertas circunstancias.
Si bien el concepto de flotar está muy claro para nosotros, la comprensión de éste como
fenómeno físico comprende una serie de estudios, los cuales podemos ver en el Principio
de Arquímedes.
Los submarinos son vehículos sumergibles que utilizan la diferencia de presión y de
densidad para mantenerse debajo del agua y salir a flote.
Los submarinos se rigen por el principio de Arquímedes que dice: todo cuerpo sumergido
en un fluido experimenta una fuerza vertical y hacia arriba que es igual al peso del líquido
desalojado. Los submarinos se sumergen o flotan en el agua según aumente o disminuya
su peso, pero el volumen no se altera. Gracias a esto este principio se pudo elaborar
diversos tipos de submarinos que ayudaron a la humanidad ya sea para investigaciones,
guerras y otros proyectos afines.
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1. OBJETIVOS
- Comprender a través de este experimento el principio de Arquímedes. - La flotabilidad mediante el mecanismo que usan los submarinos.
- Describir aplicaciones que involucren flotación.
- Aprender el funcionamiento de los submarinos.
2. MARCO TEORICO
2.1 PRINCIPIO DE ARQUIMEDES
El concepto clave de este principio es el `empuje', que es la fuerza que actúa hacia
arriba reduciendo el peso aparente del objeto cuando éste se encuentra en el
agua.
Por ejemplo, si un bloque metálico que posee un volumen de 100 cm3 se hunde en
agua, desplazará un volumen similar de agua cuyo peso aproximado es 1 N. Por
tanto, el bloque parecerá que pesa 1 N menos.
La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes:
a) El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto
del fluido.
b) La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma
forma y dimensiones.
Porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
Consideremos, en primer lugar, las fuerzas sobre una porción de fluido en
equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la
superficie de separación es igual a (p x dS), donde p solamente depende de la
profundidad y dS es un elemento de superficie.
Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las
fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido.
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A esta resultante la denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de
masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje.
De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto, se cumple
Empuje=peso= (ρ x g x V)
El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido ρ por la
aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.
Se sustituye la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y
dimensiones.
Si sustituimos la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y
dimensiones. Las fuerzas debidas a la presión no cambian, por tanto, su resultante
que hemos denominado empuje es la misma y actúa en el mismo punto,
denominado centro de empuje.
Lo que cambia es el peso del cuerpo sólido y su punto de aplicación que es el
centro de masa, que puede o no coincidir con el centro de empuje.
Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas: el empuje y el peso del cuerpo, que
no tienen en principio el mismo valor ni están aplicadas en el mismo punto.
En los casos más simples, supondremos que el sólido y el fluido son homogéneos y
por tanto, coincide el centro de masa del cuerpo con el centro de empuje.
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La presión debida al fluido sobre la base superior es p1= ρgx, y la presión debida al
fluido en la base inferior es p2= ρg(x+h). La presión sobre la superficie lateral es
variable y depende de la altura, está comprendida entre p1 y p2.
Las fuerzas debidas a la presión del fluido sobre la superficie lateral se anulan.
Las otras fuerzas sobre el cuerpo son las siguientes:
Peso del cuerpo, mg.
Fuerza debida a la presión sobre la base superior, p1·A.
Fuerza debida a la presión sobre la base inferior, p2·A.
En el equilibrio tendremos que:
mg+p1·A=p2·A
mg+ρgx·A=ρg(x+h) ·A
o bien
mg=ρh·Ag
Como la presión en la cara inferior del cuerpo p2 es mayor que la presión en la cara
superior p1, la diferencia es ρgh. El resultado es una fuerza hacia
arriba ρgh·A sobre el cuerpo debida al fluido que le rodea.
Como vemos, la fuerza de empuje tiene su origen en la diferencia de presión entre
la parte superior y la parte inferior del cuerpo sumergido en el fluido.
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2.1.1. ¿Por qué flotan los objetos?
Un objeto flota si su densidad media es menor que la densidad del agua. Si
éste se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza (y, por
tanto, el empuje) es mayor que su propio peso, y el objeto es impulsado
hacia arriba y hacia fuera del agua hasta que el peso del agua desplazada
por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante.
Así, un bloque de madera cuya densidad sea 1/6 de la del agua, flotará
con 1/6 de su volumen sumergido dentro del agua, ya que en este punto
el peso del fluido desplazado es igual al peso del bloque.
2.1.2. ¿Qué es la Fuerza de Empuje?
Cuando un cuerpo se sumerge total o parcialmente en un fluido, una
cierta porción del fluido es desplazado. Teniendo en cuenta la presión que
el fluido ejerce sobre el cuerpo, se infiere que el efecto neto de las fuerzas
de presión es una fuerza resultante apuntando verticalmente hacia arriba,
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la cual tiende, en forma parcial, a neutralizar a la fuerza de gravedad,
también vertical, pero apuntando hacia abajo. La fuerza ascendente se
llama fuerza de empuje o fuerza de flotación y puede demostrarse que su
magnitud es exactamente igual al peso del fluido desplazado.
2.2. ¿Qué es un submarino?
Un submarino es un tipo especial de buque capaz de navegar bajo el agua además
de poder navegar en la superficie, gracias a un sistema de flotabilidad variable.
Usados extensamente por vez primera en la Primera Guerra Mundial, en la
actualidad forman parte de todas las armadas importantes, y especialmente de la
estadounidense, la rusa, la británica y la armada china.
2.2.1. ¿Cómo funciona un submarino?
Los submarinos se rigen por el principio de Arquímedes que nos dice que
todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza vertical y hacia
arriba que es igual al peso del líquido desalojado, los submarinos se
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sumergen o flotan según aumente o disminuya el peso pero el volumen
nunca varia.
Además se dice que los submarinos sobre el agua poseen flotabilidad
positiva y esa es la razón porque flotan.El tanque está lleno de aire que al
momento de sumergirse se llena de agua esto hace que pierda su
flotabilidad positiva y hace que se hunda.
Los submarinos tienen depósitos o estanques los cuales puede llenar de
agua o de aire utilizando un sistema de válvulas y comprensores.
2.2.2. CARACTERISTICAS DE LOS SUBMARINOS
- Su volumen es siempre el mismo.
- En superficie, están en situación de flotación positiva, pesando menos
que el volumen equivalente de agua desplazada (principio de
Arquímedes).
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- Pueden cambiar su peso utilizando un mecanismo especialmente
diseñado para este propósito.
3. APLICACIÓN DEL PRINCIPIO DE ARQUIMEDES
Los submarinos regulan su densidad gracias a los tanques de Lastre los cuales llenan de
aire o de agua para flotar en la superficie o para su inmersión. Así que, para que un
barco flote es necesario que la densidad del barco sea menor que la del agua, y en
efecto lo es porque aunque el barco este hecho de hierro, hemos de tener en cuenta su
volumen total, el cual contiene mucha cantidad de aire, de modo que todo el barco
resulta menos denso que el agua del océano.
El valor del “Pa (Presión Atmosférica” puede tomar valores positivos, negativos o
“cero”
[1]……Pa > 0 …significa...Pa = P – E > 0 ….. P > E…→…”el cuerpo se hunde”
[2]……Pa < 0 …significa…Pa = P – E < 0 ….. P < E…→…”el cuerpo sube”
[3]……Pa = 0 …significa…Pa = P – E = 0 ….. P = E…→…”el cuerpo está en equilibrio, no
sube ni baja”
1. En el caso de un submarino se dan los tres casos anteriores [1], [2], [3]
Cuando el submarino flota en la superficie [3], su (Pa=0) porque su “P” es igualado
por el “E” del agua que desplaza la porción de su casco debajo del agua.
2. Para la inmersión [1] el submarino expele aire de las cámaras de flotación y deja
entrar agua a esas cámaras de modo que su (Pa>0).
3. El submarino desciende hasta la profundidad deseada y se estabiliza insuflando de
nuevo aire en las cámaras para desplazar agua de modo de lograr nuevamente
(Pa=0).
4. Para que el submarino logre emerger [2] se insufla más aire en las cámaras hasta
lograr (Pa<0).
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3.1. APLICACIÓN DEMOSTRATIVA
3.1.1 CONOCIENDO EL FUNCIONAMIENTO DE LOS SUBMARINOS
En la vida diaria muchas personas sobre todo los soldados e investigadores
usan este tipo de transporte que les ayuda a la mayoría de casos a examinar
cosas debajo del agua como peces o plantas en otros casos lo usan para
llevar misiles que son vendidos o hasta llevados como objetivo a otro país.
Mediante esta aplicación sabremos cómo es que los submarinos suben, se
hunden y se mantienen en equilibrio gracias al PRINCIPIO DE ARQUIMEDES.
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3.1.2. MATERIALES
- botella de plástico
- globos
- Sorbetes
- Monedas
- Clavos
- Elástico
- cinta adhesiva
- agua
- cubeta transparente
3.1.3. PROCEDIMIENTO
Cogemos la botella de plástico y le hacemos unos agujeros en un lateral,
en el mismo lado pegamos unos tornillos para que mantengan los
agujeros hacia abajo al poner la botella en el agua. En el tapón de la
botella realizamos un pequeño orificio por donde pasaremos la pajita de
plástico. Después llenaremos un recipiente de agua y colocaremos el
“submarino”. En el primer momento podremos comprobar que el
“submarino” flota, porque el peso específico de la botella es menor a la
del líquido que lo contiene. Como los agujeros quedan a la parte inferior,
poco a poco podremos ver como el “submarino” se llena de agua y
desciende hacia abajo quedando totalmente sumergido, esto se produce
porque el peso específico del “submarino” es mayor al empuje.
Seguidamente comprobaremos que al soplar por la pajita la botella se
llena de aire expulsando el agua y emergiendo otra vez, ya que se ha
disminuido su densidad siendo esta inferior a la del líquido.
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4. CONCLUSIONES
- A través de este experimento podemos comprender mejor el principio de
Arquímedes que nos dice que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta
una fuerza vertical hacia arriba que es igual al peso del líquido desalojado y gracias
al descubrimiento de Arquímedes podemos entender de mejor manera que es la
flotabilidad y además a que están sujetos los submarinos.
- Como avance científico y tecnológico es muy importante, pues con este principio
de flotación se han podido calcular mejores embarcaciones, robustas las cuales
cruzan océanos completos sin hundirse, sabiendo de ante mano cuál es su máximo
de carga.
5. RECOMENDACIONES
- Sin duda que a diario se dejan pasar bastantes situaciones cotidianas sin analizar
físicamente. En el caso de la flotación se distinguen usos diarios y comunes. Por
ejemplo al ir a la playa y nadar, la persona es el objeto en el cual se emplea la
fuerza de empuje y se obtiene una flotación.
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- Podemos distinguir cuanto es el volumen de objetos con tan solo seguir esta
aplicación sin necesidad de tener aparatos costosos.
6. BIBLIOGRAFIA
1. PRINCIPIO DE ARQUIMEDES:
http://grandescientificosdelahistoria.webnode.es/experimentos/el-principio-de-
arquimedes/.
2. EXPERIENCIAS PRINCIPIO DE ARQUIMEDES:
http://es.slideshare.net/GarciaMuvdi/experiencia-principio-de-arqumedes-
1844854.
3. FLOTABIBLIDAD:
http://www.areaciencias.com/Flotabilidad.htm.
4. SUBMARINOS CON PRINCIPIO DE ARQUIMEDES:
http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=133171.
5. FUERZA DE EMPUJE:
http://www.profesorenlinea.cl/fisica/ArquimedesEmpuje.htm.
6. SUBMARINOS ,FUNCIONAMIENTO:
https://prezi.com/mkjrlkuqmhhf/submarinos-funcionamiento/.