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UNIVERSIDAD DON BOSCO
FÍSICA II
LABORATORIO
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS
FÍSICA II
CICLO:______ AÑO:______
05
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
FUNDAMENTO TEÓRICO
OBJETIVOS DEL
LABORATORIO




Describir el
fenómeno físico
que ocurre al
sumergir un
cuerpo sólido en
un fluido.
Determinar la
magnitud de la
fuerza de empuje
que experimenta
un cuerpo dentro
de un fluido.
Aplicar el
principio de
Arquímedes para
el cálculo de la
densidad de un
líquido.
Aplicar el
principio de
Arquímedes para
el cálculo de la
densidad de un
sólido.
¡DEFINICIÓN!
Fuerza de Flotación
Es la fuerza resultante
de todas las fuerzas que
aplica un fluido sobre
un cuerpo, debido a la
diferencia de presiones.
El valor del empuje es
igual al peso del
volumen del líquido
desalojado por el
cuerpo.
Los objetos sumergidos en un fluido parecen pesar menos que cuando están fuera de él. Por
ejemplo, una piedra grande que usted tendría dificultad para levantar del suelo, a menudo
puede levantarse fácilmente del fondo de una corriente de agua. Cuando la piedra sale de la
superficie del agua, repentinamente parece más pesada. Muchos objetos, como la madera,
flotan sobre la superficie del agua. Estos dos son ejemplos de flotación.
En cada ejemplo, la fuerza de la gravedad actúa hacia abajo. Además, el líquido ejerce una
fuerza de flotación ascendente. La fuerza de flotación sobre los peces y los buzos casi
equilibra la fuerza de gravedad hacia abajo y les permite “quedar suspendidos” en equilibrio.
“La fuerza de flotación ocurre porque la presión en un fluido se incrementa con la
profundidad. La presión ascendente sobre la superficie del fondo de un objeto sumergido es
mayor que la presión descendente sobre su superficie superior”
La fuerza de flotación que ejerce un fluido sobre un cuerpo es igual al peso del fluido
desplazado por éste. Este resultado es válido sin importar la forma del objeto. Su
descubrimiento se atribuye a Arquímedes (287 – 212 a. de C.) y se llama Principio de
Arquímedes.
Por “fluido desplazado” se entiende, un volumen de fluido igual al volumen sumergido del
objeto (o de la parte sumergida del objeto). Si el cuerpo se coloca en un vaso o recipiente
inicialmente lleno de agua hasta el borde, el agua que se derrama por la parte superior
representa el agua desplazada por el objeto.
FE = F2 – F1 = ρF gV
FE = mF g
(Ec. 1)
(Ec. 2)
Figura 1
Volumen
desplazado
por un objeto
Principio de Arquímedes
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¡RECUERDE!
Otra forma de
determinar la magnitud
del empuje que ejerce
un fluido sobre un
cuerpo sumergido en
éste, es la siguiente:
Se dice que Arquímedes descubrió su principio en la tina de baño, mientras pensaba cómo
determinar si la nueva corona del rey era de oro puro o una falsificación. El oro tiene una
gravedad específica de 19.3, un poco más alta que la de la mayoría de los metales; sin
embargo, determinar de manera directa la gravedad específica o la densidad no es una tarea
fácil porque, incluso si se conoce la masa, el volumen de un objeto de forma irregular es
difícil de calcular.
No obstante, si el objeto se pesa en el aire (WREAL) y también “se pesa” bajo el agua
(WAPARENTE), la densidad se determina usando el principio de Arquímedes.
FE = ρF Vg = WR – WA
FE = WR – WA
Donde:
WR: Peso Real
WA: Peso Aparente
El comportamiento
natural de los cuerpos
en contacto con los
fluidos como por
ejemplo los sólidos con
los líquidos, puede
entenderse a partir de
sus densidades. Los
cuerpos más densos se
hunden mientras que
los menos densos
pueden flotar total o
parcialmente en un
fluido.
En otras palabras:
Sólido vs Líquido
–
–
–
Si ρS > ρF el sólido
se hunde
Si ρS < ρF el sólido
flota parcialmente
Si ρS = ρF el sólido
flota en el interior
del líquido
¡BIBLIOGRAFÍA
SUGERIDA!
(Ec. 3)
TAREA PREVIA
a. Previo al laboratorio, investigar los siguientes conceptos:
Empuje
Gravedad Específica
b.
c.
d.
e.
Peso Real
Peso Específico
Peso Aparente
Densidad
Investigue al menos 3 aplicaciones del Principio de Arquímedes
Investigue las fórmulas para calcular el volumen de: Un cilindro, Una esfera y Un cubo
Investigue el enunciado del Principio de Arquímedes
Resolver problemas donde se aplique el Principio de Arquímedes
MATERIAL Y EQUIPO
1
1
1
1
4
1
Varilla soporte con base
Calibrador Vernier
Probeta graduada de 100 mL
Dinamómetro
Piezas de aluminio
Vaso de precipitado
Figura 2
Equipo
Experimental
“Física para Ciencias
e Ingeniería” 7a
Edición. Raymond A.
Serway
“Fundamentos de
Física” 4a Edición.
Robert Resnick
“Física Universitaria”
12a Edición. Sears
Zemansky
Principio de Arquímedes
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
PRIMERA PARTE
¡COMENTARIO!
Para el desarrollo de
este laboratorio
haremos las siguientes
aproximaciones:



Fluidos ideales sin
viscosidad
Fluido
incompresible
Pérdida de líquido
despreciable
¡DENSIDADES DE
ALGUNAS
SUSTANCIAS!
Material
Agua
Agua de Mar
Alcohol
Hielo
Glicerina
Aluminio
Hierro
Latón
Cobre
Plomo
Mercurio
Oro
Densidad
(kg/m3)
1000
1030
790
920
1260
2700
7800
8600
8900
11300
13600
19300
Comprobación del Principio de Arquímedes y Determinación de la
Densidad de un Cuerpo Sólido
Mida el peso de cada una de los cilindros con el dinamómetro y anote estos resultados en la
tabla (1).
Luego coloque entre 40 o 50 mL de agua en la probeta y sumerja por completo un cilindro.
Observe que el líquido sube de nivel (Volumen desplazado), y que el dinamómetro marca un
Peso Aparente. Registre estos datos en la tabla (1) y repita el proceso para los demás
cilindros. En la probeta 1 mL de agua equivale a 1 cm3
Con el vernier mida los diámetros y las alturas de los cilindros para calcular los respectivos
π 2
volúmenes con la expresión V= d h Estos serán los volúmenes teóricos. Anote estos
4
resultados en la tabla (1)
Determine la densidad de los cilindros usando el Principio de Arquímedes y anote los
resultados en la tabla (1)
Cilindro
WR
WA
Fuerza de
Empuje
Volumen
desplazado
Volumen
Teórico
Densidad
del Cilindro
1
2
3
4
Tabla 1
SEGUNDA PARTE
Determinación de la Densidad de un Líquido
Seleccione uno de los cilindros y mídale su Peso Real, anotarlo en la tabla (2). Luego, en la
probeta, previamente seca, coloque entre 40 o 50 mL del líquido que su docente le
proporcione.
Sumerja por completo el cilindro en el líquido, observe que el nivel de líquido sube (volumen
desplazado) y que el dinamómetro registra un peso aparente. Anote estos datos en la tabla (2)
¡CUIDADO!
Manipule con
precaución los
instrumentos para no
dañarlos.
No sobrecargue el
dinamómetro.
Cilindro
WR
WA
Fuerza de
Empuje
Volumen
Desplazado
Densidad del
Líquido
Tabla 2
Procure dejar limpia y
seca la mesa de trabajo
una vez terminada la
práctica.
Principio de Arquímedes
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ANÁLISIS DE RESULTADOS
¡AUTOEVALÚESE!
Si un objeto sumergido
desplaza una cantidad
de líquido que pesa
más que él y luego se
suelta, el objeto
entonces:
a.
b.
c.
Subirá a la
superficie y flotará
Se hundirá
Permanece en
equilibrio en la
posición donde se
sumergió
1. Con los datos de la tabla (1), ¿Cómo son los volúmenes desplazados con los teóricos?
¿Es así como se esperaban? Explique.
2. Use los datos de la tabla (1) para elaborar el gráfico Fuerza de Empuje vrs Volumen
desplazado. Use papel milimetrado. ¿Cuál es la relación de proporcionalidad?
3. Obtenga del gráfico anterior, la ecuación experimental.
4. ¿Qué representa la constante de proporcionalidad del gráfico?
5. Determine la densidad y el promedio de la densidad de los cilindros (tabla 1), y calcule el
porcentaje de error de este resultado respecto del teórico.
6. Con los datos de la tabla (2), haga uso del principio de Arquímedes para determinar la
densidad del líquido.
7. ¿Es el resultado como se esperaba? Explique
8. Calcule el porcentaje de error de la densidad del líquido respecto al teórico
proporcionado por su docente.
¡OJO!
Los gráficos deben
realizarse únicamente
en papel milimetrado o
logarítmico, según sea
el caso. Deben contener
una presentación y
distribución adecuada,
encabezado, escalas,
etc.
En su reporte, deje
constancia de todos los
cálculos realizados.
Principio de Arquímedes
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