LOS FLOTADORES IMPIDEN QUE NOS HUNDAMOS EN EL AGUA GRUPO 11: Lourdes Soraya Almansa Chacón Lorena Díaz del Álamo José Antonio Checa Mendoza Fátima Caro Medrán Carlos Alañón Moya David Campos Castellanos 3º PRIMARIA A 1. BIOGRAFÍA DE ARQUÍMEDES Arquímedes de Siracusa fue un matemático, físico, ingeniero, inventor y astrónomo griego. Nació c. 287 a. C. en el puerto marítimo de Siracusa (Sicilia, Italia) y murió 212 a.C. Aunque se conocen pocos detalles de su vida, es considerado uno de los científicos más importantes de la antigüedad clásica. Entre sus avances en física se encuentran sus fundamentos en estática y la explicación del principio de la palanca. Es reconocido por haber diseñado innovadoras máquinas, incluyendo armas de asedio y el tornillo de Arquímedes, que lleva su nombre. En el siglo III a. C., en Alejandría, el centro científico de la civilización occidental en esa época, el matemático, físico e inventor griego Arquímedes enunció el llamado principio de Arquímedes (este dice que un cuerpo sólido sumergido en un líquido es impulsado hacia arriba con una fuerza equivalente al peso del líquido que desplaza). Se le atribuyen unos cuarenta inventos mecánicos, entre los que destacan la rueda dentada y el tornillo de Arquímedes o tornillo sin fin, una máquina para elevar agua que se supone ideó para extraer agua de la sentina de los barcos, de la que existen varias formas. Arquímedes murió c. 212 a. C. durante la Segunda Guerra Púnica, cuando las fuerzas romanas al mando del general Marco Claudio Marcelo capturaron la ciudad de Siracusa después de un asedio de dos años de duración. Arquímedes se distinguió especialmente durante el sitio de Siracusa, en el que desarrolló armas para la defensa de la ciudad. Arquímedes fue asesinado al final del asedio por un soldado romano, contraviniendo las órdenes del general romano, Marcelo, de respetar la vida del gran matemático griego. Flotador Un flotador es una pieza en forma de aro fabricada de un material ligero y que sirve para mantener a flote a una persona introducida en su interior. Los flotadores se fabrican en materiales ligeros como el corcho o plástico. En el primero de los casos se trata de una pieza compacta que no se hunde debido a las propiedades de su materia prima. En el segundo, consiste en una funda plástica en la que se introduce aire permitiendo de este modo que flote en el agua. El flotador de plástico consiste en dos capas simétricas de este material una de las cuales una contiene una válvula por la que se insufla el aire. Las dos piezas están selladas pudiendo contener así una cámara de aire en su interior. Los flotadores de corcho se encuentran en entornos náuticos así como en embarcaciones y constituyen equipos de emergencia por si una persona cae al agua. También se llama flotadores a los dispositivos hidrodinámicos ubicados bajo el fuselaje que permiten la flotabilidad de un hidroavión. En los hidroaviones de tipo hidrocanoa están situados en las alas, y su objetivo no es tanto ayudar a la flotabilidad, ofrecida principalmente por el mismo casco de la aeronave, sino equilibrio lateral. 2. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado. La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes como se indica en las figuras: 1. El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido. 2. La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido. Consideremos, en primer lugar, las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto de fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a p·dS, donde p solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie. Puesto que la porción de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción de fluido, denominado centro de empuje. De este modo, para una porción de fluido en equilibrio con el resto, se cumple Empuje=peso=rf·gV El peso de la porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido rf por la aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V. Se sustituye la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Si sustituimos la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas debidas a la presión no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado empuje es la misma y actúa en el mismo punto, denominado centro de empuje. Lo que cambia es el peso del cuerpo sólido y su punto de aplicación que es el centro de masa, que puede o no coincidir con el centro de empuje. Por tanto, sobre el cuerpo actúan dos fuerzas: el empuje y el peso del cuerpo, que no tienen en principio el mismo valor ni están aplicadas en el mismo punto. En los casos más simples, supondremos que el sólido y el fluido son homogéneos y por tanto, coincide el centro de masa del cuerpo con el centro de empuje. 3. Algunos ejemplos: Si colocamos sobre agua (figura 65) distintos objetos: madera, plástico, papel, clavos, cubos de hielo, un barquito de papel, etc., veremos que algunos flotan y otros se hunden. Pero esto no depende únicamente del material, también depende de la forma que este tenga. Si con un mismo trozo de plastilina construyes una bola y un disco ahuecado, verás que el primero se hunde mientras que el segundo flota, según se ilustra en la figura 66. Por la misma razón un clavo de hierro se hunde y un barco, del mismo material, flota. Todas estas preguntas y los hechos señalados encuentran su explicación en el principio de Arquímedes. Este célebre principio se puede formular del siguiente modo: Sobre un cuerpo sumergido en un líquido actúa una fuerza, de abajo hacia arriba (el empuje), que es igual al peso del líquido desalojado. a. Empuje y flotabilidad Sabemos que algunos objetos flotan sobre los líquidos y otros se hunden. Más exactamente, como lo indica la figura 71, hay tres posibilidades. Si el peso del objeto es mayor que el empuje (a), este se hunde hasta llegar al fondo del recipiente; si es igual al empuje (b), permanecerá “entre dos aguas”; y si es menor que el empuje (c), el cuerpo saldrá a flote y emergerá del líquido reduciéndose el empuje hasta hacerse igual al peso. En la figura 72 se ilustra este último caso con más detalle. En (a) el cuerpo está completamente sumergido, pero como el empuje es mayor que su peso, está ascendiendo. Luego llegará a la posición que se indica en (b), pero igual que antes, seguirá ascendiendo. Desde este momento en adelante parte del cuerpo quedará por encima del nivel del líquido y el empuje se empezará a reducir, hasta hacerse igual a su peso. En este momento el cuerpo flotará en equilibrio. Las flechas azules indican el sentido del movimiento del cuerpo. En los líquidos en general, en tanto, las burbujas de aire u otros gases ascienden igual que un corcho, y lo hacen por la misma razón. 4. Conclusión En el agua vemos lo que ocurre cuando metemos dentro un cuerpo. Podemos experimentar la existencia de otra fuerza: el empuje. El descubrimiento se debe a Arquímedes (287-212) A.C. que lo expresó así: Todo cuerpo sumergido en un fluido (líquido o gas) desaloja un volumen de fluido equivalente a su propio volumen. Como consecuencia de la diferencia entre la masa del cuerpo y la masa, de igual volumen, del agua desplazada por el cuerpo, pueden ocurrir dos casos: Que la masa del cuerpo sea mayor que la del agua que desplaza. En este caso el cuerpo se hundirá. Que la masa del cuerpo sea menor que la masa del agua desalojada. El cuerpo flotará. Si ambas masas son muy semejantes el cuerpo seguirá hundiéndose hasta que el volumen de agua desplazado tenga la misma masa que el propio cuerpo. En realidad sumergir un cuerpo en un fluido equivale a desplazar hacia arriba un volumen igual de líquido. Este desplazamiento requiere una fuerza que debemos vencer al intentar sumergir el cuerpo. De esta experiencia se deduce el principio de Arquímedes. Por este motivo cuando levantamos un cuerpo dentro del agua percibimos un peso menor que denominamos peso aparente. Peso aparente = Peso real - Empuje