Cómo calcular la flotabilidad: 12 pasos (con imágenes)

Tabla de contenido:

Cómo calcular la flotabilidad: 12 pasos (con imágenes)
Cómo calcular la flotabilidad: 12 pasos (con imágenes)

Video: Cómo calcular la flotabilidad: 12 pasos (con imágenes)

Video: Cómo calcular la flotabilidad: 12 pasos (con imágenes)
Video: VOLUMEN DE PRISMAS Super facil 2024, Marcha
Anonim

La flotabilidad es la fuerza que actúa en dirección opuesta a la dirección de la gravedad que afecta a todos los objetos sumergidos en un fluido. Cuando un objeto se coloca en un fluido, su peso empuja el fluido (líquido o gas), mientras que la fuerza de flotación empuja el objeto hacia arriba, actuando contra la gravedad. En términos generales, esta fuerza se puede calcular con la ecuación FB = Vs × D × g, donde FB es la fuerza de flotación, Vs es el volumen sumergido, D es la densidad del fluido en el que está sumergido el objeto y g es la fuerza de la gravedad. Para aprender a determinar la flotabilidad del objeto, consulte el paso 1 para comenzar.

pasos

Método 1 de 2: uso de la ecuación de la fuerza de flotación

Calcular la flotabilidad Paso 1
Calcular la flotabilidad Paso 1

Paso 1. Encuentra el volumen de la parte sumergida del objeto

La fuerza de flotación que actúa sobre un objeto es directamente proporcional al volumen del objeto que está sumergido. En otras palabras, cuanto más sólido es el 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 que los empuja hacia arriba. Para empezar a calcular esta intensidad, el primer paso es determinar el volumen del objeto que está sumergido. Para la ecuación, este valor debe estar en metros.3.

  • Para los objetos que están completamente sumergidos en el fluido, el volumen sumergido es el mismo que el del objeto. Para aquellos que flotan en la superficie del fluido, solo se considera el volumen debajo de la superficie.
  • Como ejemplo, digamos que queremos encontrar la fuerza de flotación que actúa sobre una pelota de goma que flota en el agua. Si la bola es una esfera perfecta, de un metro de diámetro, y está medio flotando en el agua, podemos encontrar el volumen de la porción sumergida encontrando el volumen total de la esfera y dividiéndolo por dos. Dado que el volumen de la esfera está dado por (4/3) π (radio)3, se sabe que tendremos un resultado de (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metros3. 0, 524/2 = 0.262 metros3 sumergido.
Calcular la flotabilidad Paso 2
Calcular la flotabilidad Paso 2

Paso 2. Encuentre la densidad de su fluido

El siguiente paso en el proceso de encontrar la fuerza de flotación es definir la densidad (en kilogramos / metro3) de los cuales el objeto está sumergido. La densidad es una medida del peso relativo por volumen de un objeto o sustancia. Dados dos objetos de igual volumen, el de mayor densidad pesa más. Por regla general, cuanto mayor es la densidad del fluido, mayor es la fuerza de flotación que ejerce. Con los fluidos, generalmente es más fácil determinar la densidad mirando materiales de referencia.

  • En nuestro ejemplo, la pelota flota en el agua. Consultando una fuerza académica, podemos encontrar que la densidad del agua es aproximadamente 1000 kilos / metro3.
  • Las densidades de otros fluidos comunes se enumeran en fuentes de ingeniería. Puede encontrar una lista de estos aquí.
Calcular la flotabilidad Paso 3
Calcular la flotabilidad Paso 3

Paso 3. Encuentre la fuerza de gravedad (u otra fuerza hacia abajo)

Ya sea que el objeto esté flotando o completamente sumergido, siempre está sujeto a la fuerza de la gravedad. En el mundo real, esta fuerza constante es igual a 9, 81 Newtons / kilo. Sin embargo, en situaciones en las que otra fuerza, como una centrífuga, actúa sobre un fluido y el objeto sumergido, también debe tenerse en cuenta para determinar la fuerza descendente total.

  • En nuestro ejemplo, si estamos tratando con un sistema ordinario y estacionario, podemos suponer que la única fuerza que actúa hacia abajo es la fuerza de gravedad mencionada anteriormente.
  • Sin embargo, ¿qué pasaría si nuestra bola estuviera flotando en un balde de agua, girando a gran velocidad en un círculo horizontal? En este caso, asumiendo que el balde gira lo suficientemente rápido para asegurar que tanto el agua como la bola no caigan, la fuerza descendente en esta situación se derivaría de la fuerza centrífuga creada por el movimiento del balde, no de la gravedad de la tierra.
Calcular la flotabilidad Paso 4
Calcular la flotabilidad Paso 4

Paso 4. Multiplica volumen × densidad × gravedad

Cuando tenga valores para el volumen de su objeto (en metros 3), la densidad de su fluido (en kilogramos / metro3) y la fuerza de la gravedad (o la fuerza descendente de su sistema), encontrar la fuerza de flotación es fácil. Simplemente multiplique estas tres cantidades para encontrar la fuerza en newtons.

Resolvamos nuestro ejemplo sustituyendo nuestros valores en la ecuación FB = Vs × D × g. FB = 0,262 metros3 × 1000 kilos / metro3 × 9, 81 newtons / kilo = 2570 Newtons.

Calcular la flotabilidad Paso 5
Calcular la flotabilidad Paso 5

Paso 5. Averigüe si su objeto flota comparándolo con la fuerza de la gravedad

Usando la ecuación de la fuerza de flotación, es fácil encontrar la fuerza que empuja un objeto fuera del fluido en el que está sumergido. Sin embargo, con un poco más de trabajo, también es posible determinar si el objeto flotará o se hundirá. Simplemente encuentre la fuerza de flotación del objeto (en otras palabras, use todo su volumen como Vs), luego encuentre la fuerza de gravedad con la ecuación G = (masa del objeto) (9,81 metros / segundo2). Si la fuerza de flotación es mayor que la gravedad, el objeto flotará. Pero si la fuerza de la gravedad es mayor, se hundirá. Si son iguales, el objeto se llama "neutral".

  • Por ejemplo, digamos que queremos saber si un barril de madera cilíndrico de 20 kilogramos con un diámetro de 0,75 metros y una altura de 1,25 metros flotará en el agua. Esto requiere algunos pasos:

    • Podemos encontrar su volumen con la fórmula V = π (radio)2(altura). V = π (0, 375)2(1, 25) = 0, 55 metros3.
    • Después de eso, asumiendo los valores predeterminados para la gravedad y la densidad del agua, podemos determinar la fuerza de flotación en el cañón. 0, 55 metros3 × 1000 kilos / metro3 × 9, 81 newtons / kilo = 5395, 5 Newtons.
    • Ahora necesitamos encontrar la fuerza de gravedad en el cañón. G = (20 kg) (9,81 metros / segundo2) = 196, 2 Newtons. Es mucho menor que la fuerza de flotación, por lo que el cañón flotará.
Calcular la flotabilidad Paso 6
Calcular la flotabilidad Paso 6

Paso 6. Utilice la misma técnica cuando su fluido sea un gas

Al resolver problemas de tipo, no olvide que el fluido no tiene que ser un líquido. Los gases también se consideran fluidos y, a pesar de tener densidades más bajas en comparación con otros tipos de materia, aún pueden soportar el peso de algunos objetos. Un simple globo de helio es prueba de ello. Dado que el gas del globo es menos denso que el fluido circundante, ¡flota!

Método 2 de 2: Realización de un experimento de flotabilidad simple

Calcular la flotabilidad Paso 7
Calcular la flotabilidad Paso 7

Paso 1. Coloque una taza o tazón pequeño en un recipiente más grande

¡Con algunos artículos de casa, es fácil ver los principios de flotabilidad en acción! En este sencillo experimento, demostraremos que un objeto sumergido experimenta un empuje porque desplaza un volumen de fluido igual al volumen del objeto sumergido. Mientras hacemos esto, también demostramos cómo encontrar la fuerza de flotabilidad de un experimento. Para comenzar, coloque un recipiente pequeño, como un tazón o una taza, dentro de un recipiente más grande, como un tazón o un balde más grande.

Calcular la flotabilidad Paso 8
Calcular la flotabilidad Paso 8

Paso 2. Llene el recipiente desde el interior hasta el borde

Luego llene el recipiente más grande con agua. Desea que el nivel del agua esté hasta el borde sin volcar. ¡Tenga cuidado! Si se derrama agua, vacíe el recipiente más grande antes de volver a intentarlo.

  • Para este experimento, es seguro asumir que el agua tiene la densidad del agua tiene el valor predeterminado de 1000 kg / metro3. A menos que esté usando agua salada o un líquido diferente, la mayoría de los tipos de agua tienen una densidad cercana al valor de referencia.
  • Si dispone de un gotero, puede resultar muy útil comprobar el nivel del agua en el recipiente interior.
Calcular la flotabilidad Paso 9
Calcular la flotabilidad Paso 9

Paso 3. Sumerja un objeto pequeño

Ahora busque un objeto pequeño que quepa dentro del recipiente interior y que no se dañe con el agua. Encuentra la masa de este objeto en kilogramos (usa una escala para esto). Luego, sin mojarse los dedos, sumerja el objeto en el agua hasta que comience a flotar o ya no pueda sostenerlo. Debería notar que el agua del recipiente interior se derrama en el recipiente exterior.

Para los propósitos de nuestro ejemplo, digamos que estamos colocando un carro de juguete de 0.05 kg de masa en el contenedor interior. No necesitamos conocer el volumen del automóvil para calcular el empuje, como veremos a continuación

Calcular la flotabilidad Paso 10
Calcular la flotabilidad Paso 10

Paso 4. Recoja y mida el agua derramada

Cuando sumerge un objeto en agua, se produce un desplazamiento de agua; si no fuera así, no habría espacio para que él entrara al agua. Cuando empuja el líquido, el agua empuja hacia atrás, provocando la flotabilidad. Toma el agua derramada y colócala en una taza medidora. El volumen de agua debe ser igual al volumen sumergido.

En otras palabras, si su objeto flota, el volumen de agua que derramó será igual al volumen del objeto sumergido en el agua. Si su objeto se hunde, el volumen de agua que derrama es igual al volumen de todo el objeto

Calcular la flotabilidad Paso 11
Calcular la flotabilidad Paso 11

Paso 5. Calcule el peso del agua derramada

Como conoce la densidad del agua y puede medir el volumen que se ha derramado, puede encontrar la masa. Simplemente convierta el volumen a metros3 (una herramienta de conversión en línea como esta puede ser útil) y multiplíquela por la densidad del agua (1000 kg / metro3).

En nuestro ejemplo, digamos que nuestro carrito se hundió y se desprendió aproximadamente dos cucharadas (0, 00003 metros)3). Para encontrar la masa de agua, multiplicamos por su densidad:: 1000 kilos / metro3 × 0,0003 metros3 = 0,03 kilos.

Calcular la flotabilidad Paso 12
Calcular la flotabilidad Paso 12

Paso 6. Compare el volumen desplazado con la masa del objeto

Ahora que conoce la masa sumergida y la masa desplazada, compárelas para ver cuál es más grande. Si la masa del objeto sumergido en el recipiente interior es mayor que la masa de agua desplazada, debe haberse hundido. Pero si la masa de agua desplazada es mayor que eso, el objeto debe haber flotado. Este es el principio de flotabilidad; para que un objeto flote, tiene que desplazar una masa de agua más grande que el objeto.

  • Además, los objetos con masas más pequeñas pero volúmenes más grandes son los objetos que más flotan. Esta propiedad significa que los objetos huecos flotan. Piense en una canoa; flota porque es hueco, por lo que puede desplazar mucha agua sin necesidad de tener una gran masa. Si las canoas fueran sólidas, no flotarían bien.
  • En nuestro ejemplo, el carro tiene una masa de 0.05 kilos, mayor que el agua desplazada, 0.03 kilos. Esto confirma nuestro resultado: el coche se hunde.

Recomendado: