Calcular la flotabilidad: 12 pasos (con fotos)

Contenido

Pasos
- Método 1 de 2: Usar la ecuación de la fuerza de flotabilidad
- Método 2 de 2: un experimento de flotabilidad simple
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La fuerza de flotación es la fuerza opuesta a la fuerza de gravedad sobre los objetos en un líquido. Cuando se coloca un objeto en un líquido, el peso del objeto empuja hacia abajo sobre el líquido (líquido o gas) mientras que una fuerza hacia arriba empuja hacia arriba contra el objeto, contra la gravedad. En general, esta fuerza de flotación se puede calcular usando la ecuación F_B = V_s × profundidad × gramo, donde F_B la fuerza de flotación es, V_s el volumen de la parte sumergida del objeto, D la densidad del líquido en el que está sumergido el objeto y g la gravedad. Para calcular la flotabilidad de un objeto, puede continuar leyendo a continuación en el Paso 1.

Pasos

Método 1 de 2: Usar la ecuación de la fuerza de flotabilidad

Imagen titulada Calculate Buoyancy Step 1

1. determinar el volumen de la parte sumergida del objeto. La fuerza de flotación sobre un objeto es directamente proporcional al volumen del objeto que está sumergido. En otras palabras, cuanto más se sumerge un objeto, mayor es la fuerza de flotación que actúa sobre él. Esto significa que incluso los objetos que se hunden en un líquido tienen una fuerza ascendente que los empuja hacia arriba. Para calcular la fuerza de flotación de un objeto, el primer paso suele ser determinar el volumen del objeto sumergido en un líquido. Para la ecuación de la fuerza de flotabilidad, este valor debe expresarse en metros cúbicos (m).

Para objetos completamente sumergidos en el líquido, el volumen de agua es igual al volumen del objeto mismo. Para objetos que flotan en un líquido, solo se incluye el volumen debajo de la superficie del líquido.
Por ejemplo, supongamos que queremos saber la fuerza de flotación de una pelota de goma que flota en el agua. Si la pelota es una esfera perfecta con un diámetro de 1 metro (3.3 pies) y exactamente a la mitad de la bola flota en el agua, entonces podemos encontrar el volumen de la parte bajo el agua determinando el volumen de toda la bola, luego tomamos la mitad. Como el volumen de una esfera es igual a (4/3)π(radio), sabemos que el volumen de la bola es igual a (4/3)π(0.5) = 0,524m. 0.524/2 = 0,262 m bajo el agua.

Imagen titulada Calculate Buoyancy Step 2

2.Determinar la densidad del liquido. El siguiente paso en el proceso de encontrar la fuerza de flotación es definir la densidad (en kg/metro) del líquido en el que se sumerge el objeto. La densidad es una medida del peso de un objeto o sustancia en relación con su volumen. Para dos objetos de igual volumen, el objeto con mayor densidad pesará más. Como regla general, cuanto mayor sea la densidad del líquido en el que se sumerge un objeto, mayor será la fuerza de flotación. Para líquidos, generalmente es más fácil determinar la densidad simplemente buscándola en las binas (u otro libro de referencia).

En nuestro ejemplo, la pelota flota en el agua. Después de consultar un libro de referencia, sabemos que el agua tiene una densidad de aproximadamente 1.000 kg/m.

La densidad de muchos otros líquidos comunes se enumera en las binas (y otras obras de referencia). Puede consultar dicha lista a través de este sitio web.

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3. Determinar la gravedad (u otra fuerza hacia abajo). Ya sea que un objeto se hunda o flote en un líquido, siempre está sujeto a la gravedad. En el mundo real, esta fuerza constante hacia abajo es igual a 9,81 Newton/kg. Sin embargo, en situaciones en las que otras fuerzas, como la fuerza centrífuga, también actúan sobre el líquido y el objeto sumergido en él, también deben tenerse en cuenta al determinar la fuerza "hacia abajo" total para todo el sistema.

En nuestro ejemplo, si estamos tratando con un sistema estático simple, podemos suponer que solo la única fuerza hacia abajo sobre el líquido y el objeto sumergido es la fuerza gravitatoria estándar: 9,81 Newton/kg.

Sin embargo, ¿qué pasa si nuestra pelota flota en un balde de agua que se lanza en un círculo horizontal a gran velocidad?? En este caso (asumiendo que el balde gira lo suficientemente rápido para asegurarse de que ni el agua ni la bola se caigan), la fuerza "hacia abajo" en esta situación puede derivarse de la fuerza centrífuga creada al balancear el balde, y no de la gravedad.

Imagen titulada Calculate Buoyancy Step 4

4. Multiplica volumen × densidad × gravedad. Si se dan los valores para el volumen del objeto (en m), la densidad del líquido (en kg/m) y la gravedad (o la fuerza hacia abajo en el sistema), entonces es fácil determinar la fuerza de flotación. Simplemente multiplique estos tres valores para encontrar la fuerza de flotación en Newtons.

Resolvamos nuestro problema de ejemplo reemplazando estos valores en la ecuación F_B = V_s × profundidad × gramo. F_B =0,262 m × 1000 kg/m × 9,81 Newton/kg = 2.570 Newton.

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5. Averigüe si su objeto está flotando (o flotando en el agua) comparando la fuerza de flotabilidad con la gravedad. Usando la ecuación de flotabilidad, es fácil encontrar la fuerza que empuja un objeto fuera del líquido en el que está sumergido. Sin embargo, con un poco de trabajo adicional también es posible determinar si el objeto flotará o se hundirá. Para hacer esto, determine la fuerza de flotación en todo el objeto (en otras palabras, tome el volumen completo como V_s) y luego determine la gravedad que empuja el objeto hacia abajo, usando la ecuación G = (masa del objeto) (9.81 m/s). Si la fuerza de flotación es mayor que la gravedad, el objeto flotará. En cambio, se hundirá si la gravedad es mayor. Si son iguales, se puede decir que el objeto permanece `flotando` en el líquido.

Por ejemplo, supongamos que queremos saber si un barril cilíndrico de madera de 20 kilogramos, 0,75 m de diámetro y 1,25 m de altura flotará en el agua. Esto requiere varios pasos:

Determinamos el volumen con la fórmula para el volumen de un cilindro, V = π(radio)(altura). V = π(0,375)(1,25) = 0,55 metros.

Entonces podemos resolver la fuerza de flotabilidad en el barco (asumiendo gravedad estándar y agua de densidad ordinaria). 0,55 m × 1000 kg/m × 9,81 newton/kilogramo = 5.395,5 norte.

Ahora necesitamos determinar la gravedad en el barril. G = (20 kg) (9,81 m/s) = 196,2 norte. Esto es mucho menor que la fuerza de flotación, por lo que el barril flotará en el agua.

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6. Utilice el mismo enfoque que para un líquido con un gas. Al resolver preguntas sobre la flotabilidad, tenga en cuenta que el líquido en el que se sumerge el objeto no es necesariamente un líquido. Los gases también son básicamente líquidos, y aunque tienen una densidad muy baja en comparación con otras sustancias, aún pueden soportar el peso de ciertos objetos que flotan en ellos. Un simple globo de helio es una clara evidencia de esto. Debido a que el gas en el globo es menos denso que el líquido que lo rodea (aire ordinario), flota!

Método 2 de 2: un experimento de flotabilidad simple

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1. Coloque un tazón pequeño o una taza dentro de un recipiente más grande. Con algunos artículos para el hogar, es fácil ver los principios de la flotabilidad en acción! En este sencillo experimento, mostraremos que un objeto sumergido experimenta flotabilidad porque desplaza una cantidad de líquido igual al volumen del objeto sumergido. Mientras hacemos esto, también le mostraremos cómo encontrar la fuerza de flotación de un objeto de manera práctica con este experimento. Para empezar, coloque un recipiente pequeño abierto, como un bol o una taza, dentro de un recipiente más grande, como un bol grande o una cubeta.

Imagen titulada Calculate Buoyancy Step 8

2. Llene el recipiente interior hasta el borde. Ahora llene el pequeño recipiente interior con agua. Asegúrate de llenarlo hasta el borde sin derramar. Ten cuidado! Si derrama agua, vacíe el recipiente más grande antes de volver a intentarlo.

Para el propósito de este experimento, es seguro asumir que el agua tiene una densidad estándar de 1.000 kg/m. A menos que esté usando agua salada o un líquido completamente diferente, la mayoría de las aguas tendrán una densidad lo suficientemente cercana a este valor de referencia que una pequeña diferencia no cambiará nuestros resultados.

Si tienes una pipeta, esta puede ser muy útil para la correcta redistribución del agua en el recipiente interior.

Imagen titulada Calculate Buoyancy Step 9

3. Sumergir un objeto pequeño en el agua. Ahora encuentre un objeto pequeño que quepa en el recipiente interior que pueda soportar el agua. Determina la masa de este objeto en kilogramos (puedes usar una balanza o balanza que indique su peso en gramos y luego convertirlo a kilogramos). Luego, sumérjalo lenta y uniformemente bajo el agua hasta que comience a flotar o apenas pueda sostenerlo, después de lo cual lo dejará ir. Parte del agua del recipiente interior se derramará por el borde hacia el recipiente exterior.

Para el propósito de nuestro ejemplo, digamos que ponemos un carro de juguete con una masa de 0.05 kg en el contenedor interior. No necesitamos calcular el volumen del automóvil para calcular la fuerza de flotación, como veremos en el siguiente paso.

Imagen titulada Calculate Buoyancy Step 10

4. Poner el agua que rebosa en un vaso. Cuando sumergimos un objeto en agua, parte de él se desplaza. Si no fuera así, no habría lugar para que el objeto se hundiera en el agua. Cuando el agua es empujada por el objeto, el agua empuja hacia atrás, lo que resulta en una fuerza de flotación. Tome el agua que ha corrido hacia el recipiente exterior y viértala en una taza medidora pequeña. La cantidad de agua en el vaso medidor debe ser aproximadamente igual al volumen del objeto sumergido.

En otras palabras, si tu objeto flota, el volumen del agua derramada es igual al volumen del objeto que está debajo de la superficie del agua. Si el objeto se hunde, el volumen de agua derramada será igual al volumen de todo el objeto.

Imagen titulada Calculate Buoyancy Step 11

5. Calcular el peso del agua derramada. Como conoce la densidad del agua y puede medir el volumen del agua derramada con la taza medidora, también conoce la masa. Convierta el volumen a m (a herramienta de conversión en línea útil) y multiplíquelo por la densidad del agua (1.000 kg/m3).

Continuando con nuestro ejemplo, supongamos que nuestro carro de juguete se hundió en el recipiente más interno y se desplazó alrededor de dos cucharadas de agua (0,00003 m). Para encontrar la masa del agua, la multiplicamos por la densidad: 1.000 kg/m × 0,00003 m = 0,03 kg.

Imagen titulada Calculate Buoyancy Step 12

6. Compare la masa del agua desplazada con la del objeto. Ahora que conoces la masa tanto del objeto sumergido en el agua como la del agua desplazada, puedes comparar ambos para ver cuál es más grande. Si la masa del objeto sumergido es mayor que la del agua desplazada, entonces debería haberse hundido. Por otro lado, si la masa del agua desplazada es mayor, entonces el objeto debe haber flotado. Este es el principio de la flotabilidad en acción: para mantenerse a flote como un objeto, tendrá que desplazar una masa de agua mayor que la del objeto mismo.

Por lo tanto, los objetos de baja masa pero alto volumen son los tipos de objetos más resistentes. Esta propiedad significa que los objetos huecos experimentan una fuerte fuerza de flotación. Piense en una canoa: flota bien porque es hueca, por lo que una canoa puede mover mucha agua sin una masa muy alta. Si las canoas no fueran huecas, no flotarían muy bien.

En nuestro ejemplo, el coche tiene una masa mayor (0,05 kg) que el agua desplazada (0,03 kg). Esto está en línea con lo que observamos: el auto se hundió.