DENSIDAD Y PESO ESPECIFICO ( EMPUJE)

Densidad y peso especifico ( empuje)

Densidad.- Es la masa de un cuerpo por unidad de volumen.

La densidad puede obtenerse de varias formas. Por ejemplo, para objetos macizos de densidad mayor que el agua, se determina primero su masa en una balanza, y después su volumen; éste se puede calcular a través del cálculo si el objeto tiene forma geométrica, o sumergiéndolo en un recipiente calibrando, con agua, y viendo la diferencia de altura que alcanza el líquido. La densidad es el resultado de dividir la masa por el volumen. Para medir la densidad de líquidos se utiliza el decímetro, que proporciona una lectura directa de la densidad.

El término de densidad también se aplica a las siguientes magnitudes:

La relación entre el número de partículas en un volumen dado, o el total de una determinada cantidad

2) La energía luminosa por unidad de volumen (densidad de energía luminosa).

3) La oscuridad de una imagen en una película o placa fotográfica (densidad fotográfica).

Peso Específico.- El peso específico de una sustancia es el peso de la unidad de volumen.

Se obtiene dividiendo un peso conocido de la sustancia entre el volumen que ocupa.

Llamando p al peso y v al volumen, el peso específico, Pc, vale:

Pc= p/v

Unidades.

Sistema Internacional.

La unidad de peso específico es el N/m3; es decir, el newton (Unidad de fuerza y, por tanto, de peso) entre el m3 (Unidad de volumen).

Sistema Técnico.

Se emplean el kp/m3 y el kp/dm3.

Sistema Cegesimal.

Se utilizaría la dina/cm3, que corresponde a la unidad del sistema internacional.

Principio de Arquímedes.- Ley física que establece que cuando un objeto se sumerge total o parcialmente en un líquido, éste experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del líquido desalojado. La mayoría de las veces se aplica al comportamiento de los objetos en agua, y explica por qué los objetos flotan y se hunden y por qué parecen ser más ligeros en este medio.

El concepto clave de este principio es el `empuje', que es la fuerza que actúa hacia arriba reduciendo el peso aparente del objeto cuando éste se encuentra en el agua.

Un objeto flota si su densidad media es menor que la densidad del agua. Si éste se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza (y, por tanto, el empuje) es mayor que su propio peso, y el objeto es impulsado hacia arriba y hacia fuera del agua hasta que el peso del agua desplazada por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante. Así, un bloque de madera cuya densidad sea 1/6 de la del agua, flotará con 1/6 de su volumen sumergido dentro del agua, ya que en este punto el peso del fluido desplazado es igual al peso del bloque.

Por el principio de Arquímedes, los barcos flotan más bajos en el agua cuando están muy cargados (ya que se necesita desplazar mayor cantidad de agua para generar el empuje necesario).

Además, si van a navegar en agua dulce no se pueden cargar tanto como si van a navegar en agua salada, ya que el agua dulce es menos densa que el agua de mar y, por tanto, se necesita desplazar un volumen de agua mayor para obtener el empuje necesario. Esto implica que el barco se hunda más.

Densidades y Pesos Específicos:

Sólidos	Densidad (g/ml)	Peso Específico
Plomo	11.4	11.34
Cobre	8.96	8.93
Aluminio	2.70	2.7

“Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido recibe un empuje hacia arriba (ascendente) igual al peso del fluido que desaloja”.

Un pedazo de madera flota en el agua, sin embargo, un pedazo de fierro se hunde. ¿Por qué ocurre esto?

Los peces se desplazan en el agua sin flotar ni hundirse, controlando perfectamente su posición. ¿Cómo lo hacen?

Todo lo anterior tiene relación con la fuerza de empuje hacia arriba (ascendente), que recibe todo cuerpo que se encuentra sumergido en agua o en cualquier otro fluido.

Cuando levantas un objeto sumergido en el agua, te habrás dado cuenta que es mucho más fácil levantarlo que cuando no se encuentra dentro del agua. Esto se debe a que el agua y los demás fluidos ejercen una fuerza hacia arriba sobre todo cuerpo sumergido dentro del fluido, denominada fuerza de flotación o fuerza de empuje (E), esta fuerza es la que hace que un objeto parezca más ligero. A este fenómeno se le llama flotación.

El fenómeno de flotación, consiste en la perdida aparente de peso de los objetos sumergidos en un líquido. Esto se debe a que cuando un objeto se encuentra sumergido dentro de un líquido, los líquidos ejercen presión sobre todas las paredes del recipiente que los contiene, así como sobre todo cuerpo sumergido dentro del líquido. Las fuerzas laterales debidas a la presión hidrostática, que actúan sobre el cuerpo se equilibran entre sí, es decir, tienen el mismo valor para la misma profundidad. Esto no sucede para las fuerzas que actúan sobre la parte superior e inferior del cuerpo. Estas dos fuerzas son opuestas, una debido a su peso que lo empuja hacia abajo y la otra, que por la fuerza de empuje, lo empuja hacia arriba. Como la presión aumenta con la profundidad, las fuerzas ejercidas en la parte inferior del objeto son mayores que las ejercidas en la parte superior, la resultante de estas dos fuerzas deberá estar dirigida hacia arriba. Esta resultante es la que conocemos como fuerza de flotación o de empuje que actúa sobre el cuerpo, tendiendo a impedir que el objeto se hunda en el líquido.

Al sumergir un objeto dentro de un líquido, el volumen del cuerpo sumergido es igual al volumen de fluido desplazado. Por lo tanto, la fuerza de empuje ρ • V • g, tiene una magnitud igual al peso del líquido desplazado por el objeto sumergido.

El empuje que reciben los cuerpos al ser introducidos en un líquido, fue estudiado por el griego Arquímedes, y su principio se expresa como:

“Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido (líquido o gas) recibe un empuje ascendente, igual al peso del fluido desalojado por el objeto”.

El principio de Arquímedes es uno de los descubrimientos más notables que nos legaron los griegos y cuya importancia y utilidad son extraordinarias. La historia cuenta que el rey Hierón ordenó la elaboración de una corona de oro puro, y para comprobar que no había sido engañado, pidió a Arquímedes que le dijera si la corona tenía algún otro metal además del oro, pero sin destruir la corona. Arquímedes fue el primero que estudio el empuje vertical hacia arriba ejercido por los fluidos.

Es importante hacer notar que la fuerza de empuje no depende del peso del objeto sumergido, sino solamente del peso del fluido desalojado, es decir, si tenemos diferentes materiales (acero, aluminio, bronce), todos de igual volumen, todos experimentan la misma fuerza de empuje.

Si un recipiente sellado de un litro está sumergido en agua hasta la mitad, desplazará medio litro de agua y la fuerza de empuje (o flotación) será igual al peso de medio litro de agua, sin importar qué contenga el recipiente. Si el recipiente está sumergido completamente, la fuerza de flotación será igual al peso de un litro de agua a cualquier profundidad, siempre que el recipiente no se comprima. Esto es porque a cualquier profundidad el recipiente no puede desplazar un volumen de agua mayor a su propio volumen.

Para conocer la magnitud de la fuerza de flotación debemos entender la expresión "el volumen del agua desplazado". Si sumergimos completamente un objeto en un recipiente lleno con agua hasta el borde, un poco de agua se derramará, y decimos que el agua es desplazada por el objeto. El volumen del objeto es igual al volumen del agua desplazada (derramada).

Como la densidad del agua es de 1 g/cm³ (1000 kg/m³), el número de gramos de masa del agua corresponde al número de centímetros cúbicos de volumen del objeto. Éste es un buen método para determinar el volumen de objetos de forma irregular. Un objeto completamente sumergido siempre desplaza un volumen de líquido igual a su propio volumen. Es decir, el volumen del cuerpo es igual al volumen de líquido desalojado.

El que un objeto flote o se hunda en un líquido depende de cómo es la fuerza de flotación comparada con el peso del objeto. El peso a su vez depende de la densidad del objeto.

De acuerdo a la magnitud de estas dos fuerzas se tienen los siguientes casos:

1) Si el peso del objeto sumergido es mayor que la fuerza de empuje, el objeto se hundirá.

2) Si el peso del cuerpo es igual a la fuerza de empuje que recibe, el objeto permanecerá flotando en equilibrio (una parte dentro del líquido y otra parte fuera de él).

3) Si el peso del objeto sumergido es menor que la fuerza de empuje que recibe, el objeto flotara en la superficie del líquido.

El principio de Arquímedes se aplica a objetos de cualquier densidad. En caso de conocer la densidad del objeto, su comportamiento al estar sumergido dentro de un fluido puede ser:

1) Si el objeto es más denso que el fluido en el cual está sumergido, el objeto se hundirá.

2) Si la densidad del objeto es igual a la del fluido en el cual está sumergido, el objeto no se hundirá ni flotara.

3) Si el objeto es menos denso que el fluido en el cual está sumergido, el objeto flotara en la superficie del fluido.

Debido al efecto del empuje, los cuerpos sumergidos en un fluido tienen un peso aparentemente menor a su verdadero peso, y le llamamos peso aparente. El valor de la fuerza de empuje se determina mediante la diferencia del peso real y la del peso aparente, es decir:

Empuje = peso real – peso aparente

Como todo cuerpo que sea sumergido en un líquido se ajustara a una profundidad a la cual su peso sea igual al del agua desplazada, el peso del cuerpo está dado por la expresión:

F_cpo = P_cpo = ρ_cpo • V_cpo • g

y el peso del fluido desplazado o fuerza de empuje ejercida por el líquido está dada por la expresión: 

E = ρ_liq • V_cpo • g

en donde:

E = es el empuje

V_cpo = el volumen que desplaza el cuerpo

ρ_liq = la densidad del líquido donde se sumerge el cuerpo

g = 9.81 m/s²

Como el peso específico (Pe) de la sustancia está dado por:

Pe = ρ_liq • g

Entonces también podemos escribir la expresión:

E = Pe • V_cpo

El producto del volumen del cuerpo por la densidad del fluido es igual a la masa del fluido desalojado, correspondiente a un volumen idéntico al que tiene el cuerpo sumergido. El producto de dicha masa por la aceleración de la gravedad nos da su peso. Por lo tanto. También podemos calcular el empuje que sufren los cuerpos que están sumergidos en un fluido usando la expresión:

E = V_cpo • ρ_liq•g = m_líq • g

De acuerdo a todo lo anterior, el empuje que recibe un cuerpo sumergido en un líquido puede determinarse por alguna de las siguientes expresiones:

Empuje = Peso del fluido desalojado 

Empuje = Peso real – peso aparente en el líquido 

Empuje = (densidad del cuerpo) (volumen del cuerpo sumergido) (gravedad) 

E = ρ_cpo • V_cpo • g

Empuje = (Peso específico de la sustancia) (Volumen del líquido desalojado)

E = Pe • V_cpo

Empuje = (masa del líquido desplazado) (gravedad)

E = m_líq • g

Empuje = (densidad del líquido) (volumen del líquido desalojado) (gravedad)

E = ρ_liq • V_liq • g

Conviene recordar que para la aplicación de las fórmulas anteriores, en caso de que el cuerpo este totalmente sumergido, el volumen del cuerpo es igual al volumen de líquido desalojado, y que cuando el cuerpo flota parcialmente en el líquido, el volumen del líquido desalojado es igual solamente al volumen de la parte del cuerpo que se encuentra sumergido.

El concepto de empuje nos puede ayudar a determinar la densidad de un cuerpo sólido (ρ_cpo). Para ello determinamos primero la masa real m_r del cuerpo con ayuda de una balanza. Después, sumergimos el objeto en un líquido de densidad conocida (ρ_liq.c), por ejemplo, el agua y determinamos la masa aparente del objeto m_a, , la cual será menor que la anterior. De acuerdo al principio de Arquímedes, esta diferencia se debe al empuje del agua, y por lo tanto la diferencia m_r - m_a es igual a la masa del agua desalojada por el cuerpo. La densidad del cuerpo está dada por la expresión:

También podemos determinar la densidad de un líquido. Para ello, primero obtenemos la masa aparente m_a de un cuerpo de masa m_r sumergido en un líquido de densidad conocida (ρ_liq.c). La diferencia de masa (m_r - m_a) es igual a la masa del volumen de líquido desalojado, por lo tanto:

Después se introduce el mismo cuerpo en el líquido problema y hallamos su masa aparente m_a2. De nuevo la diferencia de masa m_r - m_a2 es igual a la masa del volumen de líquido desalojado, por tanto:

Puesto que el volumen debe ser igual en ambas ecuaciones, ya que el cuerpo es el mismo, tenemos que la densidad del líquido problema (desconocido) es:

Algunas de las aplicaciones del principio de Arquímides son: la flotación de los barcos, la flotación de los submarinos, los salvavidas, los densímetros, los globos aerostáticos, los flotadores de las cajas de los inodoros, los peces.

Los barcos flotan porque su parte sumergida desaloja un volumen de agua cuyo peso es mayor que el peso del barco. Los materiales con los que está construido un barco son más densos que el agua. Pero como el barco está hueco por dentro, contiene una gran cantidad de aire. Debido a ello la densidad promedio del barco es menor que la del agua.

Debido a que, para que un objeto flote, la fuerza de flotación sobre el cuerpo debe ser igual al peso del fluido desplazado, los fluidos más densos ejercen una fuerza de empuje más grande que los menos densos. Por lo anterior, un barco flota más alto en agua salada que en agua dulce porque la primera es ligeramente menos densa.

Un submarino normalmente flota. Para un submarino es más fácil variar su peso que su volumen para lograr la densidad deseada. Para ello se deja entrar o salir agua de los tanques de lastre. De manera semejante, un cocodrilo aumenta su densidad promedio cuando traga piedras. Debido al aumento de su densidad (por las piedras tragadas), el cocodrilo puede sumergirse más bajo el agua y se expone menos a su presa.

Para que una persona flote en el agua con más facilidad, debe reducir su densidad. Para efectuar lo anterior la persona se coloca un chaleco salvavidas, provocando con ello aumentar su volumen mientras que su peso aumenta muy poco, por lo cual, su densidad se reduce.

Un pez normalmente tiene la misma densidad que el agua y puede regularla al extender o comprimir el volumen de una bolsa con la que cuenta. Los peces pueden moverse hacia arriba al aumentar su volumen (lo que disminuye su densidad) y para bajar lo reducen (lo que aumenta su densidad).

El densímetro o areómetro consiste en un tubo de vidrio con un tubo lleno de plomo para que flote verticalmente. La parte superior tiene una graduación que indica directamente la densidad del líquido en donde está colocado. Se utiliza para medir la cantidad de alcohol de un vino, para controlar la pureza de la leche, para saber si un acumulador está cargado (la carga depende de la concentración de ácido del líquido del acumulador).

TABLA 1 DENSIDAD DE DIFERENTES SUSTANCIAS

SUSTANCIA	DENSIDAD (KG/M3)	SUSTANCIA	DENSIDAD (KG/M3)
Agua a 4 ºC	1000	Gasolina (20 ºC)	700
Agua (20 ºC)	998	Glicerina a 0ºC	1250
Agua de mar	1030	Hielo	920
Aire (0 ºC)	1.30	Helio	0.18
Aire (20 ºC)	1.20	Mercurio(0 ºC)	13600
Alcohol etílico	790	Oxigeno	1.43
Aluminio a 0ºC	2700	Oro a 0ºC	19300
Cobre a 0ºC	8900	Plata a 0ºC	10500
Corcho a 0ºC	240	Plomo	11400

PRESIÓN HIDROSTÁTICA, PRENSA HIDRÁULICA.

Presión hidrostática, prensa hidráulica

La presión hidrostática es la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente. que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido, como esta presión se debe al peso del liquido, esta presión depende de la densidad(p), la gravedad(g) y la profundidad(h) del el lugar donde medimos la presión(P)P=p*g*h Si usas las Unidades del Sistema Internacional la Presión estará en Pascales(Pa=N/m^2),la densidad en Kilogramo sobre metro cubico(Kg/m^3), la gravedad en metro sobre segundo al cuadrado (m/s^2) y la profundidad en metro (m), si te fijas(Kg/m^3)*(m/s^2)*(m)=(Kg/(s^2*m))=(N/m^2) al sumergir un vaso boca abajo en el agua lo sumerges con todo y el aire que contiene desde que esta afuera, puesto que el aire siempre es empujado hacia arriba por ser menos denso que el agua, al encontrarse con las paredes del vaso y una fuerza introduciendo el vaso, no le queda mas que mantenerse en el vaso, por lo tanto el agua no puede entrar al espacio que esta siendo ocupado por el aire.Los experimentos acerca de hidrostática son sencillos de diseñar, una forma de ver como afecta la densidad es mezclar líquidos de distintas densidades y ver cual flota sobre cual, por ejemplo el alcohol siempre queda sobre el aceite y el aceite siempre sobre el agua,¿podrías decir cual es mas denso?, un experimento muy interesante consiste en sumergir un gotero vacío en un frasco con agua donde tenga libertad de moverse, tapar el frasco por ejemplo con un trozo de globo u otro material flexible, al empujar hacia adentro la tapadera del frasco veras como se hunde mas el gotero, debido a que aumentas la presionen el frasco y por lo tanto la compresión del aire dentro del gotero lo hace bajar, te lo recomiendo; también interesante es experimentar que tan grande debe ser la superficie de un material para que flote en el agua y ademas puedas transportar objetos sobre esa superficie, como una balsa, y observar su correspondencia con la formula antes descrita,hay muchas cosas interesante, estas son solo algunas.Espero haber resuelto tus dudas, experimentando se aprende mejor, cualquier duda, aquí me encuentras. 

La presión en un fluido es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación de movimiento del fluido, en algunos casos especiales esta presión coincide con la presión media o incluso con la presión hidrostática.Todas las presiones representan una medida de la energía potencial  por unidad de volumen en un fluido. Para definir con mayor propiedad el concepto de presión en unfluido se distinguen habitualmente varias formas de medir la presión:

•La presión media, o promedio de las presiones según diferentes direcciones enun fluido, cuando el fluido está en reposo esta presión media coincide con la presión hidrostática.

•La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión.

La prensa hidráulica es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores.

HIDROSTÁTICA, PRESIÓN.

  Hidrostática, presión 

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica que estudia los fluidos incompresibles en estado de equilibrio; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición, en contraposición a la dinámica de fluidos.

Características de los fluidos

Se denomina fluido a aquél medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restaurativas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay fuerzas restaurativas).

Los estados de la materia líquido, gaseoso y plasma son fluidos, además de algunos sólidos que presentan características propias de éstos, un fenómeno conocido como fluxión y que lo presentan, entre otros, los glaciares y el magma.

Las características principales que presenta todo fluido son:

• Cohesión. Fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia.
• Tensión superficial. Fenómeno que se presenta debido a la atracción entre las moléculas de la superficie de un líquido.
• Adherencia. Fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto.
• Capilaridad. Se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, debido al fenómeno de adherencia. En caso de ser la pared un recipiente o tubo muy delgado (denominados "capilares") este fenómeno se puede apreciar con mucha claridad.

Presión de un fluido en equilibrio

En términos de mecánica clásica, la presión de un fluido incompresible en estado de equilibrio se puede expresar mediante la siguiente fórmula:

Donde P es la presión, ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración de la gravedad y h es la altura.