La fuerza de flotación es una fuerza opuesta a la gravedad, que afecta a todos los objetos sumergidos en un fluido. Cuando un objeto se coloca en un fluido, la masa del objeto presiona contra el fluido (líquido o gas), mientras que la fuerza de flotación empuja el objeto contra la gravedad. En términos generales, esta fuerza de flotación se puede calcular mediante la ecuación Fa = Vt × × g, con Fa es la fuerza de flotación, Vt es el volumen del objeto sumergido, es la densidad del fluido y g es la fuerza gravitacional. Para aprender a determinar la flotabilidad de un objeto, consulte el Paso 1 a continuación para comenzar.
Paso
Método 1 de 2: uso de la ecuación de flotabilidad
Paso 1. Encuentra el volumen de la parte sumergida del objeto
La fuerza de flotación que actúa sobre un objeto es proporcional al volumen del objeto sumergido. En otras palabras, cuanto mayor es la parte sólida sumergida del objeto, mayor es la fuerza de flotación que actúa sobre el objeto. Esto significa que los objetos que están sumergidos en un líquido tienen una fuerza de flotación que empuja al objeto hacia arriba. Para comenzar a calcular la fuerza de flotación que actúa sobre un objeto, el primer paso suele ser determinar el volumen del objeto sumergido en el fluido. Para la ecuación de flotabilidad, este valor debe estar en metros.3.
- Para un objeto completamente sumergido en un fluido, el volumen sumergido es igual al volumen del objeto en sí. Para los objetos que flotan sobre la superficie del fluido, solo se calcula el volumen debajo de la superficie.
- Por ejemplo, suponga que queremos encontrar la fuerza de flotación que actúa sobre una pelota de goma que flota en el agua. Si la pelota de goma es una esfera perfecta con un diámetro de 1 my flota con la mitad sumergida bajo 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 es (4/3) (radio)3, sabemos que el volumen de nuestra esfera es (4/3) π (0, 5)3 = 0,524 metros3. 0, 524/2 = 0.262 metros3 lavabo.
Paso 2. Encuentre la densidad de su fluido
El siguiente paso en el proceso de búsqueda de flotabilidad es definir la densidad (en kilogramos / metro3) del fluido en el que se sumerge el objeto. La densidad es una medida de la masa de un objeto o sustancia en relación con su volumen. Si se le dan dos objetos con el mismo volumen, el objeto con mayor densidad tendrá más masa. Según la regla, cuanto mayor es la densidad del fluido en el que se sumerge el objeto, mayor es la fuerza de flotación. Con los fluidos, generalmente la forma más fácil de determinar la densidad es simplemente buscarla en un material de referencia.
- En nuestro ejemplo, nuestra bola flota en el agua. Al buscar en fuentes académicas, podemos encontrar que el agua tiene una densidad de aprox. 1.000 kilogramos / metro3.
- Otras densidades de fluidos ampliamente utilizadas se enumeran en fuentes de ingeniería. Una de las listas se puede encontrar aquí.
Paso 3. Encuentre la fuerza de la gravedad (o alguna otra fuerza hacia abajo)
Ya sea que un objeto se hunda o flote en un fluido, siempre tiene una fuerza gravitacional. En el mundo real, la constante de fuerza descendente es igual a 9,81 newton / kilogramo. Sin embargo, en situaciones en las que otras fuerzas, como la fuerza centrífuga, actúan sobre el fluido y el objeto sumergido en él, esta fuerza también debe tenerse en cuenta para determinar la fuerza descendente neta para todo el sistema.
- En nuestro ejemplo, estamos trabajando con un sistema estático ordinario, por lo que podemos suponer que la única fuerza descendente que actúa sobre los fluidos y los objetos es la fuerza gravitacional general: 9,81 newton / kilogramo.
- Sin embargo, ¿qué pasa si nuestra bola, que está flotando en un balde de agua, se balancea en un círculo en una dirección horizontal a gran velocidad? En este caso, suponiendo que el balde se balancea lo suficientemente rápido como para que el agua y la bola no se derramen, la fuerza descendente en esta situación se derivará de la fuerza centrífuga creada por el balanceo del balde, no de la gravedad de la Tierra.
Paso 4. Multiplica volumen × densidad × gravedad
Si tiene el valor de volumen de su objeto (en metros3), la densidad de su fluido (en kilogramos / metro3) y la fuerza de la gravedad (la fuerza descendente en su sistema), por lo que encontrar flotabilidad es muy fácil. Simplemente multiplique estos tres valores para encontrar la fuerza de flotación en newtons.
Resolvamos nuestro problema de ejemplo conectando nuestros valores en la ecuación Fa = Vt × × g. Fa = 0,262 metros3 × 1,000 kilogramos / metro3 × 9,81 newtons / kilogramo = 2.570 newtons.
Paso 5. Vea si su objeto flota comparando la flotabilidad con la fuerza gravitacional
Usando la ecuación de flotabilidad, es fácil encontrar la fuerza que empuja un objeto hacia arriba y fuera del fluido. Sin embargo, con un poco de esfuerzo adicional, también es posible determinar si un objeto flotará o se hundirá. Simplemente encuentre la fuerza de flotación para todo el objeto (en otras palabras, use todo el volumen para el valor de Vt), luego encuentre la fuerza gravitacional que lo empuja hacia abajo con la ecuación G = (masa del objeto) (9.81 metros / segundo2). Si la fuerza de flotación es mayor que la fuerza gravitacional, el objeto flotará. Por otro lado, si la fuerza gravitacional es mayor que la fuerza de flotación, el objeto se hundirá. Si las magnitudes son las mismas, se dice que el objeto flota.
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Por ejemplo, digamos que queremos saber si un barril cilíndrico de madera con una masa de 20 kilogramos y un diámetro de 0,75 my una altura de 1,25 m flotará en el agua. Este problema utilizará varios pasos:
- Podemos encontrar el volumen con la fórmula del volumen del cilindro V = (radio)2(alto). V = (0, 375)2(1, 25) = 0,55 metros3.
- A continuación, asumiendo que la magnitud de la gravedad es ordinaria y la del agua de densidad ordinaria, podemos encontrar la fuerza de flotación del barril. 0,55 metros3 × 1000 kilogramos / metro3 × 9,81 newtons / kilogramo = 5.395, 5 newtons.
- Ahora, necesitamos encontrar la fuerza gravitacional del cañón. G = (20 kg) (9,81 metros / segundo2) = 196,2 newton. Esta fuerza es menor que la fuerza de flotación, por lo que el cañón flotará.
Paso 6. Utilice el mismo enfoque si su fluido es un gas
Cuando trabaje en problemas de flotabilidad, no olvide que el fluido en el que está sumergido el objeto no tiene por qué ser un líquido. Los gases también son fluidos y, aunque los gases tienen una densidad muy baja en comparación con otras sustancias, aún pueden soportar ciertas masas de objetos que flotan en el gas. Un simple globo de helio es prueba de ello. Debido a que el gas en el globo es menos denso que el fluido circundante (aire ambiente), ¡el globo flota!
Método 2 de 2: Realización de un experimento de flotabilidad simple
Paso 1. Coloque un tazón pequeño o una taza dentro de un tazón más grande
Con algunos artículos para el hogar, ¡es fácil ver los principios de la flotabilidad en el experimento! En este sencillo experimento, demostraremos que un objeto sumergido experimenta una fuerza de flotación porque desplaza un volumen de fluido igual al volumen del objeto sumergido. Mientras hacemos esto, también demostraremos una forma práctica de encontrar la fuerza de flotación de un objeto con este experimento. Para comenzar, coloque un recipiente pequeño y abierto, como un tazón o una taza, dentro de un recipiente más grande, como un tazón o balde grande.
Paso 2. Llene el recipiente pequeño hasta el borde
A continuación, llene el recipiente interior más pequeño con agua. Desea que el agua llegue a la altura del recipiente sin derramarse. ¡Ten cuidado aquí! Si derrama agua, vacíe el recipiente más grande antes de volver a intentarlo.
- Para los propósitos de este experimento, está bien suponer que el agua tiene una densidad general de 1000 kilogramos / metro.3. A menos que esté usando agua de mar o un líquido completamente diferente, la mayoría de los tipos de agua tienen casi la misma densidad que este valor de referencia, por lo que una pequeña diferencia no cambiará nuestros resultados.
- Si tiene gotas para los ojos, esto puede ser muy útil para elevar el nivel del agua en un recipiente pequeño.
Paso 3. Sumerja el objeto pequeño
A continuación, busque un objeto pequeño que quepa en un recipiente pequeño y que no se dañe con el agua. Encuentre la masa de este objeto en kilogramos (es posible que desee usar una balanza o balanza que pueda tomar gramos y convertirlos en kilogramos). Luego, sin mojarse los dedos, de manera lenta pero segura, sumerja el objeto en el agua hasta que comience a flotar o pueda sostenerlo levemente y luego suéltelo. Notará que parte del agua del recipiente pequeño se derramará en el recipiente exterior.
Para los propósitos de nuestro ejemplo, suponga que sumergimos un carro de juguete con una masa de 0.05 kilogramos en un recipiente pequeño. No necesitamos saber el volumen de este automóvil para calcular su flotabilidad porque lo veremos en el siguiente paso
Paso 4. Recoja y cuente el agua derramada
Cuando sumerges un objeto en agua, desplaza parte del agua; de lo contrario, no habrá lugar para poner el objeto en el agua. Cuando un objeto empuja el agua hacia afuera, el agua empuja hacia atrás, creando una fuerza de flotación. Saque el agua derramada de un recipiente pequeño y viértala en una taza medidora pequeña. El volumen de agua en la taza medidora es igual al volumen del objeto sumergido.
En otras palabras, si su objeto flota, el volumen de agua que se derrame será igual al volumen del objeto que está sumergido bajo la superficie del agua. Si su objeto se hunde, el volumen de agua que se derrama es igual al volumen total del objeto
Paso 5. Calcule la masa del agua derramada
Como conoce la densidad del agua y puede medir el volumen de agua que se derrama en la taza medidora, puede encontrar su masa. Solo cambia el volumen a metros3 (las ayudas de conversión en línea, como esta, pueden ayudar) y multiplique por la densidad del agua (1,000 kilogramos / metro3).
En nuestro ejemplo, supongamos que nuestro coche de juguete se hunde en un recipiente pequeño y se mueve unas dos cucharadas (0,0003 metros3). Para encontrar la masa de nuestra agua, la multiplicaremos por su densidad: 1,000 kilogramos / metro3 × 0.0003 metros3 = 0,03 kilogramos.
Paso 6. Compara la masa del agua derramada con la masa del objeto
Ahora que conoce la masa del objeto que está sumergiendo en el agua y la masa del agua que se ha derramado, compárelas para ver qué masa es mayor. Si la masa de un objeto sumergido en un recipiente pequeño es mayor que el agua derramada, el objeto se hundirá. Por otro lado, si la masa de agua derramada es mayor, el objeto flotará. Este es el principio de flotabilidad en el experimento: para que un objeto flote, debe desplazar una cantidad de agua con una masa mayor que la masa del objeto en sí.
- Por lo tanto, los objetos con poca masa pero de gran volumen son los tipos de objetos que flotan con mayor facilidad. Esta propiedad significa que los objetos huecos flotan muy fácilmente. Imagínese una canoa: la canoa flota bien porque es hueca por dentro, por lo que puede mover mucha agua sin tener que tener una gran masa. Si la canoa no es hueca (sólida), entonces la canoa no flotará correctamente.
- En nuestro ejemplo, el automóvil tiene una masa mayor (0.05 kilogramos) que el agua derramada (0.03 kilogramos). Esto concuerda con lo que observamos: los coches se hunden.
