Medida de la densidad un sólido y de un líquido

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Fluidos

Estática de fluidos
Principio de Arquímedes
marca.gif (847 bytes)Medida de la densidad 
 de un líquido y un sólido
Flotación entre dos líquidos
no miscibles
Equilibrio de una varilla
parcialmente sumergida
Movimiento de un cuerpo
en el seno de un fluido ideal
Movimiento de una burbuja
en un fluido viscoso
Flotación de un barco
Oscilaciones de una boya
Oscilaciones de 
una esfera
El diablillo de Descartes
java.gif (886 bytes)Medida de la densidad de un líquido

java.gif (886 bytes)Medida de la densidad de un sólido

Referencias

 

En este página, se explica el funcionamiento de un aerómetro mediante un modelo simple, consistente en un cilindro de densidad y altura fijados por el programa interactivo. Este es un ejercicio sencillo de aplicación del principio de Arquímedes.

densimetro.JPG (4903 bytes)

A continuación, se describe otro procedimiento de medida de la densidad de un sólido

 

Medida de la densidad de un líquido

Hemos estudiado cómo se calcula la densidad de un cuerpo sólido, veamos ahora como se determina la densidad de un fluido.

Para un cuerpo en equilibrio que flota sobre la superficie de un líquido, tenemos que el peso es igual al empuje

mg=rfVg

Conocida la masa del cuerpo y el volumen de la parte sumergida, podemos determinar la densidad del líquido. En esto se basan los aerómetros o flotadores de masa conocida que se sumergen en el líquido de densidad desconocida. Disponen de una escala graduada, que nos proporcionan mediante lectura directa la densidad del líquido. La superficie libre del líquido marca el valor de la densidad en la escala del aerómetro.

Dependiendo de la aplicación concreta los aerómetros reciben nombres específicos: alcohómetros, sacarímetros, etc.

arquimedes_9.gif (3055 bytes) Nuestro aerómetro es un sólido de forma cilíndrica de 25 cm de altura y densidad 0.5 g/cm3 que se sumerge parcialmente en el líquido cuya densidad se quiere determinar.

Midiendo en la escala graduada la parte del cilindro que está sumergida podemos fácilmente determinar la densidad del fluido.

El cuerpo está en equilibrio flotando en el líquido, bajo la acción de dos fuerzas, su peso y el empuje del fluido.

peso=empuje

rsgSh=rf·gSx

rsh=rf x

Donde rs es la densidad del cuerpo sólido, S su sección, h su altura. rf  es la densidad del fluido y x la parte del sólido que está sumergido en el líquido.

Ejemplo:

Sea agua el líquido de densidad desconocida

Observamos que el cilindro se sumerge hasta una altura x=12.5 cm

0.5·25=rf 12.5 

Se despeja rf =1.0 g/cm3

 

Actividades

  • Se selecciona el fluido cuya densidad deseamos conocer en la lista de líquidos: agua, aceite, alcohol, glicerina.
  • La densidad del sólido se ha fijado en rs=0.5 g/cm3
  • La altura del cuerpo sólido de forma cilíndrica se ha fijado en h=25 cm

Se pulsa el botón titulado Nuevo.

Se lee en la escala la longitud x del cuerpo cilíndrico que está sumergido y se calcula densidad del líquido rf.

Se pulsa el botón titulado Respuesta, para conocer el valor de la densidad del líquido que hemos seleccionado y compararlo con el valor que hemos calculado.

 

FluidoApplet1 aparecerá en un explorador compatible con JDK 1.1.
                                          
 

Medida de la densidad de un sólido

En la página titulada “La balanza. Medida de la densidad de un sólido” se ha estudiado el procedimiento de medida de la densidad de un cuerpo sólido, con una balanza ordinaria:

  1. Se pesa el cuerpo sólido y se anota la lectura en gramos m=F de los indicadores de la balanza cuando su brazo está horizontal en equilibrio.

  2. Se sumerge el cuerpo completamente en agua (densidad 1.0 g/cm3), y se anota la lectura F’

La diferencia V=F-F’ es el volumen del cuerpo expresado en cm3.

La densidad es el cociente ρ=m/V (g/cm3)

En esta sección, se mide la densidad ρ>1.0 de un cuerpo sólido por otro procedimiento, empleando una balanza electrónica.

  1. Llenamos un recipiente parcialmente de agua y lo colocamos sobre una balanza electrónica, poniendo a cero el indicador del peso.

  2. Atamos un hilo a un cuerpo sólido, lo sumergimos completamente en agua pero sin tocar el fondo, anotamos la lectura de la balanza V.

  3. Soltamos el cuerpo, dejando de tirar del hilo, de modo que descanse en el fondo del recipiente, anotamos la lectura de la balanza m.

La densidad del cuerpo es el cociente entre la segunda lectura y la primera. ρ=m/V

Discusión

Cuando un cuerpo está suspendido en el fluido completamente sumergido pero sin tocar el fondo, las fuerzas sobre el cuerpo son:

  • La tensión del hilo T

  • El peso mg

  • El empuje E=ρf·g·V, siendo ρf=1.0 g/cm3 la densidad del líquido (agua)

El cuerpo está en equilibrio, suspendido del hilo T=mg-ρf·g·V

El líquido ejerce una fuerza E=ρf·g·V sobre el cuerpo cilíndrico, por la tercera ley de Newton, el cuerpo ejerce una fuerza igual y de sentido contrario sobre el líquido

La balanza electrónica mide la fuerza F1=ρf·g·V

Cuando el cuerpo descansa en el fondo. La balanza electrónica mide el peso del cuerpo F2=mg=ρV·g

La densidad del sólido ρ es el cociente F2/F1, si el líquido es agua ρf=1.0 g/cm3

Actividades

  • Se selecciona el sólido cuya densidad deseamos conocer en la lista de materiales: hierro, oro, plomo, etc...
  • La densidad del líquido (agua) se ha fijado en rf=1.0 g/cm3
  • La altura del cuerpo sólido de forma cilíndrica se ha fijado en h=1.0 cm

Se pulsa el botón titulado Nuevo.

Se arrastra con el puntero del ratón un pequeño círculo de color rojo, introduciendo el bloque en el fluido. Simula una cuerda que sostiene el bloque cuya densidad es mayor que la del fluido. Cuando llega al fondo, se deja de tirar de la cuerda (desaparece el círculo de color rojo), el bloque descansa en el fondo del recipiente.

Se calcula la densidad del sólido a partir de la lectura de la balanza electrónica:

  1. Cuando el cuerpo está suspendido del hilo en el líquido, completamente sumergido
  2. Cuando el cuerpo descansa en el fondo del recipiente

Se pulsa el botón titulado Respuesta, para conocer el valor de la densidad del sólido que hemos seleccionado y compararlo con el valor que hemos calculado.

 

FluidoApplet1 aparecerá en un explorador compatible con JDK 1.1.

Arrastrar con el puntero del ratón el círculo de color rojo

 

Referencias

Noll E. D. Confronting the bouyant force. The Physics Teacher, Vol 40, January 2002, pp. 8-10