La flotabilidad es un fenómeno debido a la fuerza de flotación que hace que un objeto flote. Cuando pones un objeto en un líquido, el líquido ejerce una fuerza hacia arriba sobre el objeto, esta fuerza es igual al peso del líquido que ha sido desplazado. La cantidad de líquido que se ha desplazado depende de la densidad y el volumen del objeto sumergido en el líquido.
¿Alguna vez te has preguntado por qué un clavo de hierro se hunde en el agua pero un barco hecho de hierro flota? ¿Y por qué una bola de hierro se hunde pero una bola de plástico del mismo tamaño flota en el agua? Estas maravillas suceden debido al fenómeno conocido como Flotabilidad.
La flotabilidad se puede definir como una fuerza hacia arriba ejercida sobre un objeto que está total o parcialmente sumergido en un líquido. La unidad de fuerza de flotación es Newton.
La fuerza de flotabilidad depende de dos factores:
- Cantidad (Volumen) de líquido desplazado por objeto
- La densidad del objeto.
En el primer ejemplo, el clavo de hierro tiene menos volumen y desplaza una cantidad muy pequeña de agua, por lo que se hunde menos fuerza de flotación (fuerza hacia arriba). Mientras que el barco tiene más volumen, desplaza más agua y, por lo tanto, una mayor fuerza de flotación (fuerza hacia arriba) por el agua y flota.
En el segundo ejemplo, la bola de hierro tiene más densidad y, por lo tanto, mayor fuerza gravitacional (fuerza hacia abajo) que la fuerza de flotación aplicada por el líquido, por lo que se hunde. Mientras que la bola de plástico es hueca y muy menos densa, la fuerza gravitatoria (fuerza hacia abajo) es menor que la fuerza de flotación (fuerza hacia arriba) aplicada por el líquido y flota.
Botes, submarinos, botes salvavidas, chalecos salvavidas y natación funcionan según el principio de flotabilidad.
Principio de Arquimedes
La ley física de la flotabilidad, fue dada por el matemático e inventor griego Arquímedes. El principio de Arquímedes establece que la fuerza de flotación hacia arriba que se ejerce sobre un cuerpo sumergido en un fluido, ya sea total o parcialmente, es igual al peso del fluido que el cuerpo desplaza.
En la imagen dada arriba, el empuje producido por el fluido se opone a la gravedad y las fuerzas gravitatorias reales disminuyen y, por lo tanto, están dadas por:
Peso aparente = Peso del objeto (en el aire) – Fuerza de empuje (flotabilidad)
Fórmula para el principio de Arquímedes
La ley de Arquímedes matemáticamente escrita como:
F segundo = ρ xgx V
Dónde,
F b es la fuerza de flotación.
ρ es la densidad del fluido.
V es el volumen sumergido.
g es la aceleración de la gravedad.
Derivación de la fórmula
Después de reorganizar la fórmula ρV es la densidad del fluido desplazado multiplicada por el volumen del fluido desplazado, y conocemos la relación de masa, densidad y volumen.
m = ρV
Eso significa que el término ρV corresponde a la masa del fluido desplazado.
F segundo = ρ xgx V
F b = mg , es decir, la masa del fluido desplazado multiplicada por la magnitud de la aceleración debida a la gravedad es solo el peso del fluido desplazado.
F segundo = W
La ecuación anterior cuando se expresa en palabras se llama principio de Arquímedes.
Suponiendo que se reformule el principio de Arquímedes
Peso aparente sumergido = peso – Peso del fluido desplazado
Luego se inserta en el cociente de pesos, que ha sido explicado por el volumen mutuo.
La densidad del objeto sumergido en relación con la densidad del fluido se puede calcular:
F segundo = PA = gramo ρ V = ρ gramo UN —- (i)
P = presión
F b = fuerza de flotabilidad en Newton,
A = Área en metros cuadrados,
g = aceleración de la gravedad,
h = Altura a la que actúa la fuerza tomada desde la superficie
p = densidad del fluido,
V = volumen del objeto insertado en el fluido.
F b = Wa – Wf —–(ii)
F b = fuerza de flotabilidad
W a = Peso del objeto en el aire
W f = Peso del objeto cuando está sumergido en el fluido
Usando (l) y (ll),
gramo ρ V = W un – W f ———-(iii)
Si el objeto no se hunde, entonces F g – F b
METRO gramo = gramo ρ V
Ejemplos de problemas sobre el principio de Arquímedes
Pregunta 1. Encuentra el volumen del objeto sumergido si M es 10000 kg.
Solución:
ρ=997 kg/ m3
10000 kg xg = gx 997 kg/m 3 V
1000 kg = 997 kg/m 3 V
Pregunta 2. Un bloque de madera con largo = 3,2 m, ancho = 0,8 my alto = 0,6 m. La densidad del agua es de 1000 kg/m3. Si el bloque se coloca en el agua, ¿cuál es la fuerza de flotación? La aceleración de la gravedad es de 10 N/kg.
Solución:
Volumen del bloque (V) = largo x ancho x alto = 3,2 x 0,8 x 0,6 = 1,53 m3
Densidad = 1000 kg/m3
Gravedad = 10 N/Kg
F = densidad x gravedad x volumen
F = 1000 x 10 x 1,53 = 15300N
Respuesta: F = 15300N
Pregunta 3. El peso de un objeto en el aire es 108 N. El objeto se coloca en un líquido. El aumento del volumen de líquido es de 1,8 m3. Si el peso específico del líquido es de 10 N/m3, ¿cuál es el peso del objeto en el líquido?
Solución:
Peso del objeto en líquido = peso del objeto en el aire – fuerza de flotación
Peso del objeto en líquido = 108 N – fuerza de flotación
F = ρ gramo V
La densidad del líquido es de 1 kg/m3.
Peso del objeto en fluido = 100 N – 18 N = 82N
Respuesta: 82 N
Pregunta 4. Un objeto pesa 12N en el aire, cuando se sumerge completamente en agua, pesa solo 9N. ¿Cuál sería el peso del líquido desplazado por el objeto?
Solución:
Según la ley de Arquímedes:
Peso aparente = Peso del objeto (en el aire) – Fuerza de empuje (fuerza de flotación)
Peso aparente = 9N
Peso del objeto (en el aire) = 12N
Fuerza de empuje (fuerza de flotación) = ?
Peso aparente = 12N – Fb
Fb = 12N – 9N = 3N
Respuesta: 3N
Pregunta 5. El volumen de un objeto es de 50 cm 3 y la masa es de 20 g. La densidad del agua es de 1 gcm -3 . ¿Flotará el objeto en el agua o se hundirá en el agua?
Solución:
Densidad
Respuesta: La densidad del objeto es menor que la del agua, por lo tanto, el objeto flotará.
Un objeto flotante es estable si tiende a recuperar su posición de equilibrio después de un pequeño desplazamiento. Por ejemplo, los objetos flotantes generalmente tendrán estabilidad vertical, ya que si el objeto se empuja ligeramente hacia abajo, esto creará una mayor fuerza de flotación que, desequilibrada por la fuerza del peso, empujará el objeto hacia arriba.
Dado un pequeño desplazamiento angular, la embarcación puede volver a su posición original (estable), alejarse de su posición original (inestable) o permanecer donde está (neutral). La estabilidad rotacional depende de las líneas de acción relativas de las fuerzas sobre un objeto.
La fuerza de flotabilidad hacia arriba sobre un objeto actúa a través del centro de flotabilidad (CB), que es el centroide del volumen de fluido desplazado. La fuerza del peso sobre el objeto actúa a través de su centro de gravedad (CG).
El objeto flotante será estable si el centro de gravedad está debajo del centro de flotabilidad porque cualquier desplazamiento angular producirá un «momento de enderezamiento». La estabilidad de un objeto flotante en la superficie es más compleja, y puede permanecer estable incluso si el centro de gravedad está por encima del centro de flotabilidad, siempre que cuando se perturbe desde la posición de equilibrio, el centro de flotabilidad se mueva más hacia el mismo lado. que el centro de gravedad se mueva, proporcionando así un momento adrizante positivo.
¿Qué es Upthrust?
Cualquier objeto colocado en un fluido recibe una fuerza hacia arriba llamada Upthrust. El objeto es empujado hacia arriba, por lo tanto, llamado Upthrust. Un objeto que está parcial o completamente sumergido experimenta una mayor presión en la superficie inferior que en la superficie superior. Esta fuerza se llama empuje hacia arriba. Cuando ponemos algo en la superficie del cuerpo de agua, desplaza parte del fluido. La fuerza de empuje hacia arriba es igual al peso del fluido desplazado por el objeto. La unidad de empuje hacia arriba es Newton .
Como empuje hacia arriba es la fuerza que aplica el agua y otra fuerza también actúa sobre el cuerpo debido a la masa del cuerpo que se conoce como fuerza gravitacional. La fuerza gravitacional actúa en dirección opuesta a la fuerza de empuje hacia arriba, la fuerza de empuje hacia arriba actúa en dirección vertical hacia arriba y la fuerza gravitacional actúa en dirección vertical hacia abajo.
Tipos de flotabilidad
Hay tres tipos de flotabilidad:
1. Flotabilidad positiva: cuando el peso de un objeto es más ligero que el fluido que desplaza, se denomina flotabilidad positiva.
Por ejemplo, un bote que pesa (3000 kg) pero desplaza (4500 kg) de agua flotará fácilmente
2. Flotabilidad negativa: cuando el peso de un objeto es mayor que el fluido que desplaza, se denomina flotabilidad positiva.
Por ejemplo, un clavo de hierro puede pesar 27 gramos, pero si solo desplaza 17 gramos de agua, se hundirá.
3. Flotabilidad natural: cuando el peso de un objeto es igual al fluido que desplaza.
Por ejemplo, un submarino puede ajustar su peso agregando o expulsando agua en tanques especiales llamados tanques de lastre es un ejemplo de flotabilidad natural.
Aplicación de Flotabilidad
1. El bote está diseñado de manera que la forma del bote sea hueca. Debido a la forma hueca, la densidad se vuelve menor que la densidad del mar. El volumen de agua desplazado por el barco es igual al peso del barco y esto ayuda a que el barco flote.
2. Los peces flotan bajo el agua. Los peces tienen un órgano especial llamado vejiga natatoria que generalmente se llena de gases, lo que hace que el cuerpo sea más liviano. Esto permite que los peces suban.
3. Flotación de submarinos en el agua.
4. Hallar el volumen del cuerpo.
5. Para mantener a los nadadores sobre el cuerpo de agua.
Problemas de muestra
Pregunta 1. Un bloque de madera con largo = 3,2 m, ancho = 0,8 my alto = 0,6 m. La densidad del agua es de 1000 kg/m3. Si el bloque se coloca en el agua, ¿cuál es la fuerza de flotación? La aceleración de la gravedad es de 10 N/kg.
Solución:
F = ρ gramo V
F = 1000 x 10 x 1,58 = 15840N
Respuesta: F = 15840N
Pregunta 2. El peso de un objeto en el aire es 108 N. El objeto se coloca en un líquido. El aumento del volumen de líquido es de 1,8 m3. Si el peso específico del líquido es de 10 N/m3, ¿cuál es el peso del objeto en el líquido?
Solución:
Peso del objeto en líquido = peso del objeto en el aire – fuerza de flotación
Peso del objeto en líquido = 108 N – fuerza de flotación
FA = ρ gramo V
La densidad del líquido es de 1 kg/m 3
FA = ρgV = (1 kg/m 3 )(10 m/s 2 )(1,8 m 3 ) = 18 kg m/s 3 = 18 N
Peso del objeto en fluido = 100 N – 18 N = 82N
Respuesta: 82 N
Pregunta 3. Una pieza de baldosa de mármol pesa 285 g en el aire. Si su densidad es de 3,5 g/cc, ¿cuál será su peso en agua?
Solución:
Peso en el aire = 285 g
Volumen = 285 g /(3,5 g/cc) = 81,4 cc
Peso en agua = 285 g – 81,4 g = 203,6 g
Respuesta: 203,6 g
Pregunta 4. El volumen de un objeto es de 50 cm 3 y la masa es de 30 g. La densidad del agua es de 1 gcm -3 . ¿El objeto flotará en el agua o se hundirá en el agua?
Responder:
El objeto flotará porque la densidad del objeto es menor que la del agua.
Pregunta 5. El volumen de un objeto es de 20 cm 3 y la masa de 10 g. La densidad del agua es de 1 gcm -3 . ¿Flotará el objeto en el agua o se hundirá en el agua?
Solución:
Densidad
Respuesta: La densidad del objeto es menor que la del agua, por lo tanto, el objeto flotará.
Pregunta 6. Un objeto pesa 15N en el aire, cuando se sumerge completamente en agua, pesa solo 10N. ¿Cuál sería el peso del líquido desplazado por el objeto?
Solución:
Según la ley de Arquímedes:
Peso aparente = Peso del objeto (en el aire) – Fuerza de empuje (fuerza de flotación)
Peso aparente = 10N
Peso del objeto (en el aire) = 15N
Fuerza de empuje (fuerza de flotación) = ?
Peso aparente = 15N – Fb
Fb = 15N – 10N = 5N
Respuesta: 5N
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por dheerajhinaniya y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA