Introducción
Audencia:
Estudiantes de secundaria
Objetivos:
Después de completar la actividad, los estudiantes serán capaces de:
- Explicar oralmente y matemáticamente la relación entre la densidad, masa y volumen.
- Describir la diferencia entre volumen y densidad relativa
- Determinar en forma experimental el principio de Arquímedes.
- Formular hipótesis sobre densidad de materiales.
- Calcular la fuerza de flotabilidad o empuje sobre un cuerpo que se encuentra parcialmente sumergido en un fluido.
Periodo de tiempo:
Preparar: 5 minutos
Actividad: 40 minutos
Limpiar: 5 minutos
Materiales para cada grupo:
- Cubilete grande (800-900 ml)
- Agua
- Sonda de Fuerza
- Balanza
- Escala de muelle
- Recipiente de desbordamiento
- Cubilete pequeña
- Vaso pequeña de plástico con manijas de alambre
- Varios objetos pequeños de diferentes tamaños (necesitan caber en el vaso)
Background
Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando una fuerza es aplicada y continúa a deformar incluso después de que la fuerza no se aplica ya. Mientras que un sólido puede o no deformar cuando una fuerza es aplicada a él. Sin embargo, en un sólido que la deformación continúa mientras se aplica la fuerza, el momento en que las fuerzas se retira, ninguna deformación más se experimentó por el sólido. Es uno de los bloques del estudio del movimiento de la materia y su usado para clasificar el campo de la mecánica de sólidos y líquidos. La densidad es una propiedad de la materia y se define como el cociente de una masa de objetos a su volumen. Matemáticamente puede ser expresado como:
ρ=mV
Donde m es la masa Del objeto y V es el volumen. Generalmente se expresa en unidades de g/cm3. La densidad es una cantidad importante porque desempeña un papel clave en la flotación de objetos. Cuando usted coloca y objeto en
un líquido que hará una de dos cosas: será flotan o se hunden.
Si la densidad del objeto es menor que la de suspender el fluido, flotará, si lo contrario es cierto que entonces el objeto se hundirá. Esto se
puede explicar mejor mediante el principio de Arquímedes.
Flotabilidad
¿Alguna vez te has sentido como que podía volar cuando estás en la playa o en una piscina? ¿Que de repente pierdes peso cuando entras en el agua? Eso es porque cualquier objeto parcial o totalmente sumergido en el líquido experimenta una fuerza de elevación llamada fuerza de flotación. Según un principio de Arquímedes, esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado. Pero, ¿qué significa fluido desplazado? Imagina que quieres plantar un árbol. Para ello, necesitas parte del árbol (las raíces) para ser integrado a la tierra por lo tanto debe cavar un hoyo en el suelo para colocar el árbol. En otras palabras, estamos desplazando una cierta cantidad de suciedad para que quepan en el árbol y puede soportar todavía. Esta es exactamente la misma idea de líquido desplazado, excepto cuando pones y objeto en un líquido automáticamente se deforma y una cierta cantidad de fluido es desplazada.
La flotabilidad de un cuerpo dentro de un fluido estará determinada por las diferentes fuerzas que actúen sobre el mismo y el sentido de las mismas. La flotabilidad es positiva cuando el cuerpo tienda a ascender dentro del fluido, es negativa cuando el cuerpo tiende a descender dentro del fluido, y es neutra cuando se mantiene en suspensión dentro del fluido. La flotabilidad viene establecida por el Principio de Arquímedes, y si el cuerpo fuera de naturaleza compresible su flotabilidad se verá modificada al variar su volumen según la Ley de Boyle-Mariotte.
La causa de la flotabilidad no es la densidad del cuerpo. La causa de la flotabilidad no es el agua desplazada. La causa de la flotabilidad es simplemente un balance de fuerzas (peso (gravedad) y presión ejercida por los fluidos que rodean al cuerpo).
Instrucciones de Actividad
Puerto Rico Stándar and Expectativa:
Stándar: Estructura y niveles de organización de la materia (Structure and levels of organization of matter)
Expectativa: Q.CF1 – La materia y sus interacciones: Relación entre las fuerzas y la energía (Matter and their interactions)
Instrucciones de Actividad:
Preparar (5 minutos) – Distribuya materiales para cada grupo
Introducción (10 minutos)
Antes de la actividad, los estudiantes deberían haber estudiado en clase los siguientes conceptos:
- Fuerza
- Peso
- El líquido
- Las leyes de Newton
Empiezan la actividad con el video de fluidos y el principio de Arquímedes
Recommendations: http://www.youtube.com/watch?v=yCX83pUEL6c
Explicar las diferencias entre sólidos y fluidos. Explica que la fuerza de flotación ejercida por los fluidos surge de la diferencia de presión en el objeto sumergido. Explicar cómo la densidad desempeña un papel clave en la flotación de objetos.
Procedimiento:
- Mida y registre la masa de la canasta de captura utilizando una escala digital.
- Coloque el retén del cubo bajo el desbordamiento, puede salir de agujero.
- Vierta el agua de la taza en el desbordamiento hasta que sale del agujero.
- Deja el agua correr hasta que se detenga. Nota: No incremente el poder de desbordamiento. Si quieres el agua debe estar lista para salir del agujero. Vacíe el agua de la cubeta de capturas en el vaso de vidrio. Seque el cubo captura utilizando la toalla en su mesa.
- Coloque el cubo de captura de vuelta bajo el desbordamiento.
- Coloque la báscula de resorte en el bloque de aluminio.
- Registrar la medida de fuerza de la báscula de resorte antes de sumergir el bloqueen el agua. Introdúzcala en la lata de desbordamiento.
- Baje el bloque hasta que está completamente sumergido.
- El agua que sale de la boquilla representa el líquido desplazado.
- Registrar la medida de fuerza en la escala de primavera mientras que el bloque está sumergido.
- Con el agua en el cubo de captura, medir la masa del agua y del cubo utilizando balanza digital.
- Registro de la masa. Restar este valor de la masa solo la copa que has medido anteriormente. Ahora tienes la masa de agua desplazada.
- Utilice la ecuación de la densidad para encontrar el volumen del agua desplazada.
- Como antes, este es el mismo que el volumen del bloque puesto que ésta completamente sumergida.
- Repita el proceso para objetos de diferentes masas y formas y registrar sus datos en la tabla 1.
References
-
- Mott Robert, (1996). Mecánica de fluidos aplicada. Ed. Prentice Hall.
- Ortega, Manuel R. (1989-2006). Lecciones de Física (4 volúmenes). Monytex. ISBN 84-404-4290-4, ISBN 84-398-9218-7, ISBN 84-398-9219-5, ISBN 84-604-4445-7.
- Resnick, Robert & Halliday, David (2004). Física 4ª. CECSA, México. ISBN 970-24-0257-3.
- Tipler, Paul A. (2000). Física para la ciencia y la tecnología (2 volúmenes). Barcelona: Ed. Reverté. ISBN 84-291-4382-3.
- Vennard, John K. And Robert L. Street,(1995). Elementary Fluid Mechanics. New York. John Wiley and sons
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Para el Maestro como manera de reflexión para los estudiantes
Además del empuje, un cuerpo sumergido en un fluido también sufre su propio peso como fuerza hacia abajo.
Que un cuerpo flote o se hunda depende de los valores relativos de peso y empuje.
Dado que tanto uno como otro dependen de las densidades respectivas de cuerpo y fluido, si el objeto es más denso que el fluido se hundirá, y si es menos denso flotará.
Un cuerpo menos denso que un gas o plasma subirá hasta alcanzar la región en la que la densidad del fluido iguala la suya propia.
Un cuerpo menos denso que un líquido subirá a la superficie y dejará bajo ella una parte de su volumen que será la misma fracción del total que la densidad del objeto es de la densidad del fluido.
Un cuerpo heterogéneo sufre empuje y peso en puntos distintos, con lo que girará además de trasladarse.
Cuanto más abajo esté el centro de gravedad del objeto, más estable será su equilibrio de rotación al flotar
Hoja de tarea del estudiante: Las fuerzas de fluidos: densidad y flotabilidad
Nombre: _____________________________ Fecha: _____________
Grado:_____________________
Preguntas de análisis y conclusión:
- ¿Calcule matemáticamente la relación entre la densidad, masa y volumen?
- ¿Cuál es la diferencia entre volumen y densidad relativa?
Volumen | Densidad Relativa |
- Después de realizar el experimento explique el principio de Arquímedes en sus
propias palabras.
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- Formula por lo menos dos hipótesis sobre densidad de materiales.
Hipótesis #1: |
Hipótesis #2: |
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- Realiza el cálculo de la fuerza de flotabilidad o empuje sobre un cuerpo que se encuentra parcialmente sumergido en un fluido utilizando los datos de la tabla I .
2. Ejercicio de reto: La corona del Principe parece que bajo el agua pesa menos. ¿Cuál es su densidad?