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Laboratorio Virtual, Empuje: Desde el análisis de las densidadeshasta el principio de flotación de los cuerposLaboratorio N° 1Carvajal Jaisson Duvan. Cód.: 58927 Lara Acosta Jian. Cód.: 61590 Lozano Martín Fabio. Cód.: 58976 Montoya Jefferson. Cód.: 55452 Roa Torres Yefri. Cód.: 44647 Vega Aristizab...

Description

Laboratorio Virtual, Empuje

Laboratorio Virtual, Empuje: Desde el análisis de las densidades hasta el principio de flotación de los cuerpos

Laboratorio N° 1 Carvajal Jaisson Duvan. Cód.: 58927 Lara Acosta Jian. Cód.: 61590 Lozano Martín Fabio. Cód.: 58976 Montoya Jefferson. Cód.: 55452 Roa Torres Yefri. Cód.: 44647 Vega Aristizabal Nidia. Cód.: 62652 Universidad ECCI RESUMEN El desarrollo de este laboratorio pretende identificar y comprender de manera sencilla los conceptos básicos de flotación o fuerza de empuje, así como analizar y aplicar de manera adecuada los métodos analíticos necesarios para el cálculo de los valores de las fuerzas. Reforzando lo aprendido en clase; permitiendo identificar variables como densidad, masa, volumen, gravedad, peso real, peso aparente y valores de fuerza bajo los parámetros solicitados en cada numeral y el desarrollo de las operaciones correspondientes para cada ejercicio de la guía. Palabras clave: Flotación, Empuje, Peso Aparente, Peso Real, Principio de Arquímedes, Fluido, Densidad, Flotabilidad, Contacto, Gravedad.

ABSTRACT The development of this laboratory aims to identify and understand in a simple way the basic concepts of flotation or thrust force, as well as analyze and apply in an adequate way the analytical methods necessary for the calculation of the values of the forces. Reinforcing what has been learned in class; allowing to identify variables such as density, mass, volume, gravity, real weight, apparent weight and force values under the parameters requested in each numeral and the development of the corresponding operations for each exercise of the guide. Keywords: Flotation, Push, Apparent Weight, Real Weight, Archimedes Principle, Fluid, Density, Buoyancy, Contact, Gravity. 1.

OBJETIVO DE LA PRACTICA

Recrear y construir a partir de las interacciones con las simulaciones, el principio de flotación, reconociendo si

este se puede aplicar a la interacción entre cualquier fluido con cualquier sólido.

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Reconocer las diferencias entre cuerpos que flotan y cuerpos que se sumergen.

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2. MARCO TEÓRICO

Ilustración 1 Elaborada por el grupo de trabajo con ayuda de la herramienta Smartdraw https://cloud.smartdraw.com[ CITATION Gru18 \l 9226 ]

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3.

PROBLEMA A EVALUAR

¿Qué conceptos físicos considera se deben tener en cuenta para el estudio del funcionamiento de un submarino? Claramente los principios físicos aplicados en un submarino son los teoremas de Pascal y Arquímedes; se debe implementar la fuerza de flotación para el proceso que lleva un submarino, principalmente lo que se debe manejar en un submarino es la densidad para que un submarino se mantenga a flote la densidad de él debe ser la misma a la del agua a su alrededor; Para el ahorro de combustible el submarino al momento de sumergirse o emerger debe controlar sus capacidades de almacenamiento ya sea liberando agua a presión con aire para emerger o tener una mayor densidad al momento de almacenar más agua en su alrededor.  Dentro de la simulación se pueden evidenciar dos casos de interacción entre los cuerpos y los fluidos; ¿cuáles son las diferencias principales entre estos? Se puede evidenciar diferencias en esta prueba de fluidos el cambio por uso de agua o aceite afectado la capacidad de la piscina por su densidad también generando cambios como el peso y la flotación en los objetos para analizar. INTRODUCCIÓN La correcta aplicación de los conceptos de Hidrostática y el comportamiento de los cuerpos al sumergirse o tener contacto con fluidos, permiten comprender y analizar los diferentes puntos y fuerzas aplicadas u observadas, así como determinar y calcular los valores de dichas fuerzas. Cuando se aplican las funciones o formulas correctas de acuerdo al análisis de cada caso, se logró identificar el tipo de fuerza y la manera cómo influye en el ejercicio para de esta manera obtener el valor de la fuerza de empuje que ejerce el fluido sobre el cuerpo y como este reacciona a la misma. OBJETIVO PRINCIPAL Determinar e identificar las características principales de la fuerza de empuje; así como comprender de manera sencilla y eficaz los conceptos aprendidos sobre el principio de Arquímedes, mediante la simulación en la herramienta brindada por el docente que facilitará el entendimiento y reforzará términos para la correcta aplicación de cálculos. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Desarrollar ejercicios prácticos para detallar la aplicación de los conceptos básicos en la operación y/o cálculo de fuerzas.  Ejecutar las simulaciones practicas solicitadas en la guía de laboratorio, para comprender los conceptos aprendidos y la forma de interacción.  Desarrollar la guía del laboratorio con base a los conceptos y operaciones que se han aprendido en el transcurso de las clases.  Obtener los valores de la fuerza de empuje y demás datos básicos mediante la aplicación de las formulas aprendidas.

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 Realizar las consultas necesarias para aclarar dudas del tema.  DISEÑO EXPERIMENTAL Para el desarrollo de la práctica se utiliza como base la guía encontrada en la plataforma Schoology; así como las guías complementarias para la comprensión y desarrollo adecuado de la misma. [ CITATION Car18 \l 9226 ]

Ilustración 2 Plataforma Schoology https://app.schoology.com/

También es utilizada la herramienta “Flotabilidad Versión: 1.05.00” para el desarrollo virtual en tiempo real de los planteamientos descritos en la guía de laboratorio.

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Ilustración 3 https://phet.colorado.edu/sims/density-and-buoyancy/buoyancy_es.html

4.

DESARROLLO DE LA PRACTICA

El desarrollo del laboratorio se realiza con base a los puntos y ejercicios planteados en la guía de laboratorio virtual “Principio de Arquímedes” y se respeta el orden de la misma.

4.1

Seguir el enlace:

https://phet.colorado.edu/sims/density-and-buoyancy/buoyancy_es.html 4.2

Dar clic sobre la pestaña “INTRO”

 Dentro de la simulación se pueden evidenciar dos casos de interacción entre los cuerpos y los fluidos; ¿cuáles son las diferencias principales entre estos? Para tener una idea más clara: a. Interactuar con los bloques y con los fluidos, jugar con ellos primero en donde la densidad del bloque sea menor que la del fluido y luego en donde la densidad del fluido sea menor que la densidad del bloque

Densidad bloque < Densidad fluido:

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Ilustración 4 Densidad del flujo < a la del bloque

Ilustración 5 Densidad del flujo < a la del bloque

Densidad del fluido < Densidad del bloque:

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Ilustración 6 Densidad del fluido menor a Densidad del bloque

b. En el caso en donde el cuerpo se hunde por completo, a partir de los datos que se pueden tomar en las balanzas, calcular el empuje (evidenciar la actividad con pantallazos)

Ilustración 7 Valores obtenidos de Balanzas

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Ilustración 8 Valores de Balanza cuerpo sumergido

E=Pr − Pa

E= 49− 24,50 E=24,5 c. Para el caso donde el cuerpo queda flotando, con los datos arrojados por la simulación describir y utilizar una forma para calcular el empuje. Además, determinar el porcentaje del volumen sumergido del cuerpo. (evidenciar la actividad con pantallazos)[ CITATION Seb18 \l 9226 ]

Ilustración 9 Cuerpo Flotando

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DATOS Masa: 2 Kg Volumen: 5L Densidad Líquido: 1000 Kg/m^3 Densidad Madera: 0,40 Kg/L Empuje: ¿? % Volumen Sumergido: ¿? 3

V=

5 L∗1 m =5∗10−3 m 3 1000 L

E= ρliq∗Vliq∗g

(

E= 1000

)

−3 3 Kg m ∗ ( 5∗10 m )∗(9.8 2 ) 3 m s

E=49 N ●

Cambiar unidades de densidad de L a m^3

Densidad de Madera

Kg ∗1 l l ∗1 000 dm3 3 Kg 1 dm =400 3 0,40 m 1 m3 % VOLUMEN SUMERGIDO

Vliquido ρcuerpo = Vcuerpo ρLiquido 400 Kg /m 3 =0,4 10 0 0 Kg/m 3

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¿ 40 % Del cuerpo sumergido

Ilustración 10 Cuerpo dumergido PE expandido

DATOS: Masa: 1.10 Kg Volumen: 7,31L Densidad del Líquido: 1000 Kg/m^3 Densidad de PE expandido: 0,15 Kg/L

V=

7.31 L∗1 m3 =7,31∗10−3 m3 1000 L

E= ρliq∗Vliq∗g

(

E= 1000

)

Kg m ∗ ( 7,31∗10−3 m3) ∗(9.8 2 ) 3 m s

E=71 N ●

Cambiar unidades de densidad de L a m^3

Densidad de PE Expandido

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Kg ∗1 l l ∗1000 dm3 3 Kg 1 dm =150 3 0,15 3 1m m % VOLUMEN SUMERGIDO

Vliquido ρcuerpo = Vcuerpo ρLiquido 3

150 Kg/m =0,15 1000 Kg/m 3 ¿ 15 % Del cuerpo sumergido d. Oprimir la pestaña “sala de juegos” Seleccionar “mi bloque” Jugar variando la masa y el volumen del cuerpo: ¿Qué se puede concluir de su densidad? ¿Qué sucede cuando el bloque estando interactuando en el fluido, se le cambia el valor de su densidad (evaluar cuando su densidad es menor, mayor o igual)?

Ilustración 11 “sala de juegos, mi bloque”

¿Qué se puede concluir de su densidad? ● La densidad de un cuerpo no cambia así la masa el volumen o el cuerpo sean diferentes

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● Los cuerpos que flotan tiene una densidad menor a la del líquido ● Los cuerpos que se hunden hasta el fondo su densidad es mayor a la del líquido. ● Los cuerpos que se quedan en una flotación intermedia, presentan la misma densidad del líquido lo que ocasiona que las fuerzas se contrarrestan. ¿Qué sucede cuando el bloque estando interactuando en el fluido, se le cambia el valor de su densidad (evaluar cuando su densidad es menor, mayor o igual)? 

Densidad menor:

La densidad del líquido es mucho mayor a la del cuerpo produciendo que flote.[ CITATION Fís18 \l 9226 ]

ρliq=1,00

Kg Kg > ρCuer=0,31 l l

Ilustración 12 Densidad del Liquido mayor



Densidad igual:

La densidad del líquido en el caso del cubo A es exactamente igual a la del cuerpo provocando un equilibrio en el mismo, que provoca que no se hunde ni flote.

ρliq=1,00

Kg Kg =ρCuer=1,00 l l

Que el peso sea igual que el empuje (P = E) y que el cuerpo no se hunda ni emerja. 

Densidad mayor:

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La densidad del cubo B es mucho mayor a la densidad del agua provocando que este se sumerja hasta el fondo y siendo la fuerza de empuje insuficiente para su flotación.

ρliq=1,00

Kg Kg < ρCuer=1,51 l l

Que el peso sea mayor que el empuje (P > E) y el cuerpo se hunda. e. ¿Cómo se puede relacionar lo observado en el paso d. con el funcionamiento de un submarino? Se puede relacionar con el funcionamiento ya que cuando el submarino almacena más agua en su alrededor aumenta su densidad por consiguiente se va a sumergir y si se altera su densidad, si va disminuyendo su densidad él va a flotar y va a subir a nivel cuando a su alrededor la densidad sea igual o menor a la del agua. f.

Investigar y describir 4 aplicaciones relacionadas con el principio de Arquímedes.

Chaleco salva vidas: El cuerpo de una persona es principalmente agua, por lo que la densidad de una persona estará muy cerca a la del agua, con lo que mantener a una persona a flote no requiere de mucha fuerza, lo que proporciona un chaleco salvavidas. El aire se queda en el interior del chaleco salvavidas, por lo que al estar en el agua este empujará hacia arriba, dado el menor peso del aire. Así que con ese aire el cuerpo ya tiene la fuerza necesaria para mantenerse a flote en el agua. Ancla de barco: El ancla de un barco al ser de un material más denso que el líquido se hunde, pues la fuerza de empuje que está sobre este cuerpo es menor que el peso. ocasionando que el ancla se sumerja hasta el fondo del mar. Paracaídas: Cuando un paracaidista se lanza desde el avión realiza una caída libre, existe un empuje hacia arriba que reduce su velocidad cuando abre el paracaídas además del peso, actúa una fuerza de empuje, haciendo el paracaídas abierto que el peso del paracaidista disminuya y su caída sea más lenta. Haciendo también un peso aparente.[ CITATION vik18 \l 9226 ] Botella vacía: al colocar una botella de plástico vacía con la tapa bajo el agua. Cuanto más grande es la botella, mayor es la fuerza que se necesita para mantenerla bajo el agua. g. Contestar nuevamente la pregunta 1. “problema a evaluar” y evaluar si aún se tiene la misma idea del análisis realizado antes del desarrollo de la práctica. EL análisis cambia por la investigación y el desarrollo que se realiza podemos aclarar ideas o inquietudes que se presentaban antes de realizar este laboratorio logrando conocimientos adicionales para futuros temas que se deban desarrollar. 5. ANÁLISIS DE DATOS

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

En el desarrollo de la práctica, se logran aplicar los conceptos y métodos de manera sencilla y práctica, obteniendo los resultados esperados.



Se comparan los resultados obtenidos, con los solicitados en la guía inicial y se logra evidenciar que son concluyentes y precisos con los solicitados.

Bibliografía del Marco Teórico y contenido de la guía: Principio de Arquímedes[ CITATION Lib18 \l 9226 ] Presión[ CITATION KHA18 \l 9226 ] Masa, Volumen, Densidad[ CITATION iqu18 \l 9226 ]

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1]

G. d. Laboratorio, «.smartdraw.,» 03 2018. [En línea]. Available: https://cloud.smartdraw.com/editor.aspx?depoId=8481761&credID=21586756&pubDocShare=38F4D52F399B12D5EDE9CB070EBD0C04B38.

[2]

C. Agudelo, «Schoology, Fluidos y Termodinámica 4DN (2018-1) Guia de laboratorio Virtual principio de Arquímedes,» 02 2018. [En línea]. Available: https://app.schoology.com/course/1451231481/materials.

[3]

R. Sebastian, «Fuerza de Empuje,» 03 2018. [En línea]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=GwL_BxenzvM.

[4]

Física Interesante, «Física Interesante Empuje,» 03 2018. [En línea]. Available: http://fisica2debachilleres.blogspot.com.co/2011/07/empuje.html.

[5]

vikidia, «vikidia principio de Arquímedes,» 03 2018. [En línea]. Available: https://es.vikidia.org/wiki/Principio_de_Arqu%C3%ADmedes.

[6]

Libros Provinciales Arquímedes, «Libros Provinciales Arquímedes,» 03 2018. [En línea]. Available: http://biblio3.url.edu.gt/Libros/provinciales/arquimides.pdf.

[7]

KHANAACADEMY, «KHANAACADEMY,» 03 2018. [En línea]. Available: https://es.khanacademy.org/science/physics/fluids/density-andpressure/a/pressure-article.

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[8]

iquimicas, «iquimicas,» 03 2018. [En línea]. Available: https://iquimicas.com/clases-de-quimica-general-definiciones-de-masavolumen-densidad-energia-y-trabajo-leccion-de-quimica-n-2/#Densidad.

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ANEXOS

Para mejorar la visualización de las imágenes, se adjuntan como anexo respetando el orden de los puntos anteriores.

Ilustración

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Ilustración

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Ilustración

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Ilustración

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Ilustración Densidad del Liquido mayor...