Física III Densidad y Presión en sólidos, líquidos y gases

Física III
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Densidad y Presión en sólidos, líquidos y gases
Siglo XXI
01. Un cubo de cierto material tiene dimensiones de 0.5 cm de lado. Si su masa es de 600 gr calcule su densidad.
02. Un cilindro de metal tiene un diámetro de 1.5 cm y una altura de 20 cm. Si su masa es de 700 gr calcule su densidad.
03. Una esfera metálica tiene un radio de 2.04 cm y una masa de 400 gr, calcular la densidad y de que material se trata.
04. Hallar la densidad absoluta y relativa de 51 gr de un líquido, sabiendo que este ocupa un volumen de 75 cm3.
05. Hallar el volumen que ocupan 300 gr de mercurio, sabiendo que su densidad es 13.6 gr/cm3.
06. Hallar el volumen en litros (lt) de 2000 N de aceite de algodón cuya densidad es 926 kg/m3.
07. Calcular la masa de aluminio, que corresponde a un volumen de 3 m3.
08. La densidad de la fundición de hierro vale 7.2 gr/cm3 . Hallar la masa de 60 cm3 de fundición.
09. Una vasija vacía pesa 30 N. Llena de agua pesa 530 N y llena de glicerina, 660 N. Hallar la densidad de la glicerina.
10. La masa de 1 lt de leche es 1032 gr. La nata que contiene ocupa el 4 % del volumen y tiene una densidad 0.865 gr/cm3.
Calcular la densidad de la leche desnatada (sin grasa).
*11. Un cubo de 500 gr y de 3 cm por lado, esta soportado por una mesa, calcular la presión que ejerce el cubo.
12. El tinaco de una casa, lleno de agua descansa sobre una área igual a 7854 cm2, si la presión que se ejerce en el techo es
de 16000 N/m2, calcular el peso del tinaco lleno de agua.
13. Un Bloque de concreto ejerce una presión de 200 N/m2 sobre el techo de una construcción, si su masa es de 3 kg, calcular el área de soporte.
14. Un barra de plomo ( ρplomo = 11300 kg/m3 ) de dimensiones 30 x 40 x 5 cm, se coloca sobre una mesa, calcular la
presión que ejerce cada cara de la barra sobre la mesa.
15. Una placa de acero ( ρacero = 7800 kg/m3 ) ejerce una presión de 500 N/m2 en una superficie de 1200 cm2, calcular el
volumen de la placa.
*16. La presión que puede soportar una columna de agua de 60 cm de altura, la soporta también una columna de una solución salina de 50 cm de altura. Hallar la densidad de dicha solución.
17. Calcular la presión que ejerce una columna de 2 m de agua y la fuerza aplicada, si el área que ocupa es de 0.75 m2.
18. ¿Cuál es la presión hidrostática a una profundidad de 200 m bajo el agua de mar? y ¿Cuál es la fuerza ejercida sobre
una superficie de 4 m2 situada a esa profundidad?
19. Un buzo hace maniobras a cierta profundidad en el mar, si la presión que experimenta es de 5.15 x 105 Pasc, a que
profundidad se encuentra y que fuerza actúa en su espalda, si su área es de 300 cm2.
20. Un acuario submarino se encuentra a una profundidad de 60 m. ¿Cuál es la presión al nivel del piso debida al agua de
mar y a la mitad de la ventana, si esta tiene una altura de 4 m? y ¿Cuál es la presión absoluta en ambos casos?.
21. Un submarino se encuentra situado a 120 m de profundidad. ¿De qué presión, sobre la atmosférica, debe disponer para
poder expulsar el agua de los tanques de lastrado? (la densidad relativa de 1.03 corresponde al agua de mar).
22. Un depósito cerrado, contiene 60 cm de Hg, 150 cm de agua, 240 cm de un aceite de densidad relativa 0.75 y conteniendo aire la parte superior. Si la presión en el fondo del depósito es de 3 x 105 N/m2, ¿cuál será la presión del aire?
23. ¿A qué altura se elevará el agua por las tuberías de un edificio si un manómetro situado en la planta baja indica una
presión de 3 x 105 N/m2 ?
24. ¿Cuál será la diferencia de presión atmosférica entre el nivel de la calle y el de la azotea de un edificio de 100 m de
altura? ( ρaire = 1.293 kg/m3 ).
25. ¿A qué profundidad bajo la superficie de un lago es la presión de 2 atmósferas si en la superficie el barómetro indica
74 cm de Hg?
26. El último piso de un edificio se encuentra a 90 m sobre el nivel de las tuberías de agua en la calle, que llega con una
presión de bombeo de 4.25 x 105 Pasc. ¿Subirá el agua a ese nivel? y ¿en caso contrario, qué presión de bombeo se
necesita?
Física III
Presión - Prensa Hidráulica - Pascal
Siglo XXI
01. La sección recta de un pistón de una bomba de agua es de 45 cm2. Hallar la fuerza para elevar agua a 30 m de altura.
02. En una prensa hidráulica la fuerza hacia arriba en el émbolo S, que tiene un área de 5 dm2, es de 10000 N. El émbolo
L tiene un área de 50 cm2. ¿Qué fuerza se ejerce sobre el émbolo L?
03. Las secciones rectas de los émbolos de una prensa hidráulica son A1 = 1200 cm2 y A2 = 30 cm2. Si se aplica al émbolo
más pequeño una fuerza F2 = 100 N, ¿cuál es la fuerza F1 resultante del otro émbolo?
04. El diámetro de un pistón de una prensa hidráulica es de 60 cm y la superficie del otro pistón es de 5 cm2. Se aplica una
fuerza de 500 N al pistón pequeño, hallar la fuerza ejercida en el pistón grande, y las presiones sobre cada pistón?
05. Se aplica una fuerza de 2224 N al émbolo pequeño de una prensa hidráulica, su diámetro es de 6 cm. ¿Cuál debe ser el
diámetro del émbolo grande para levantar una carga de 1 x 105 kg?
06. Una carga de 500 kg se levanta por medio del émbolo grande en una prensa hidráulica. El émbolo grande tiene un
diámetro de 120 mm. ¿Cuál será el diámetro del émbolo pequeño si se aplica una fuerza de 42 N?
07. El émbolo S de una prensa hidráulica de sección recta de 0.2 m2, soporta un peso de 15000 N y el segundo émbolo E
tiene 30 cm2 de área. Hallar la fuerza F necesaria para mantener el equilibrio y la ventaja mecánica ideal.
08. En una prensa hidráulica las áreas de los émbolos pequeño y grande son 1.27 y 63.5 cm2, respectivamente. ¿Cuál es la
ventaja mecánica ideal de la prensa? y ¿Qué fuerza debe ejercerse a fin de levantar una carga de una tonelada?
09. Un tubo de entrada de 2 cm de diámetro, suministra aire a presión para operar un elevador hidráulico. El émbolo de
salida tiene 32 cm de diámetro y un automóvil de 1800 kg encima. ¿Cuál es la presión de aire que debe emplearse?
10. Los émbolos L y M de una prensa hidráulica tienen diámetros de 6 cm y 62 cm, respectivamente ¿Qué fuerza de salida
se obtiene con una fuerza de entrada de 9072 N y qué distancia recorrerá el émbolo más pequeño a fin de elevar al
émbolo más grande 3 cm?
11. En una prensa hidráulica, sus émbolos son de 3 y 64 cm2, respectivamente. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal? y ¿Qué
distancia debe recorrer la fuerza de entrada a fin de levantar una carga de 1000 kg a una distancia de 4 cm?
12. Los émbolos pequeño y grande de una prensa hidráulica, tienen diámetros de 2 y 24 pulgadas ( in ) respectivamente.
¿Cuál es la fuerza de entrada necesaria para obtener una fuerza de salida de 2000 Poundal en el émbolo más grande y
cuál su ventaja mecánica ideal?
Física III
Densidad - Flotación - Arquímedes
Siglo XXI
01. Dos cuerpos tienen igual peso pero densidades diferentes. ¿Cuál tiene mayor volumen: el de mayor densidad o el de
menor densidad? ¿Cuál recibe más empuje colocados en un mismo líquido?
02. Si los dos cuerpos de la pregunta anterior se suspenden de una balanza, ¿estará ésta en equilibrio? ¿Qué ocurrirá a la
balanza si los dos cuerpos se sumergen en el mismo líquido?
03. Un cubo de material de 10 cm por lado tiene una masa de 700 gr. (a) ¿Flotará el cubo en el agua? (b) Si así es, ¿qué
parte porcentual de su volumen estará sumergida?
04. Un tronco cuya masa es de 1200 kg y con un volumen de 2 m3, es arrojado a una laguna diga si se hunde o no y si flota
¿que parte de volumen estará sumergida?
05. La densidad relativa del hielo es 0.92. Si un bloque de hielo es colocado en un líquido de densidad relativa 1.12, hallar
la fracción del volumen que se hundirá.
06. Se construye una balsa de madera cuya densidad es de 600 kg/m3. El área de la balsa es de 5.7 m2 y su volumen es de
0.6 m3. Cuando la balsa se coloca en agua dulce, ¿qué espesor de ella está bajo el nivel del agua?
07. Un bote rectangular de fondo plano tiene una longitud de 4 m y un ancho de 1.5 m. Si la carga es de 2000 kg (incluida
la masa del bote), ¿qué parte del bote se sumergirá cuando se ponga a flotar en un lago?
08. Cuando un hombre de 800 N sube a una canoa, ésta se hunde 4 cm. Hallar el área de la canoa al nivel del agua.
09. Un pequeño transbordador tiene 4 m de ancho y 6 m de largo. Cuando un camión cargado sube en él, el bote se hunde
4 cm más en el agua. ¿Cuánto pesa el camión?
10. Un bote rectangular de 4.5 x 2 x 0.3 m está sobrecargado, de modo que el nivel de agua está justamente 1 cm abajo de
la parte superior del bote. ¿Cuál es la masa combinada de las personas y el bote? y ¿el volumen del bote sumergido?
*11. Un bloque de madera con dimensiones de 20 cm, 10 cm y 6 cm, flota en el agua con su superficie mayor horizontal.
Si su densidad es de 700 kg/m3, ¿cuánto se hunde’? y ¿Cuánto se hundiría si con el dedo se empujara con 2 N?
12. Un flotador de corcho tiene un volumen de 2 ft3 y una densidad de 15 lb/ft3 ; a) ¿Qué volumen del corcho está por debajo de la superficie cuando el corcho flota en agua? b) ¿Qué fuerza hacia abajo es necesaria para sumergir el corcho
completamente? ( ρagua = 62.4 lb/ft3 ).
13. Un bloque de madera tiene un volumen de 150 cm3. Para mantenerlo sumergido en agua hace falta ejercer sobre él una
fuerza hacia abajo de 0.6 N. Hallar su densidad.
14. Una roca de 70 kg y de volumen de 3 x 104 cm3 yace en el fondo de un lago, ¿Qué fuerza se necesita para levantarla?
*15. Un cubo de acero de 10 cm de arista, pesa 68 N cuando se sumerge en agua. Calcular su peso aparente cuando se
sumerge en glicerina de densidad ( ρglicerina = 1.26 x 103 kg/m3 ).
16. Un cuerpo tiene una masa de 0.4 kg y un volumen de 120 cm3. ¿Cuál será el peso aparente del cuerpo si se le sumerge
en gasolina? ( ρgasolina = 0.7 x 103 kg/m3 ).
17. Un cuerpo cuyo peso es de 300 N, cuando se le sumerge en glicerina ( ρglicerina = 1.26 x 103 kg/m3 ) tiene un peso
igual a 220 N. Calcular la densidad del cuerpo y su volumen.
18. Un cuerpo tiene un volumen de 25 cm3 y un peso de 0.75 N. ¿Qué empuje experimentará si se sumerge: a) en alcohol
(densidad: 0.82 x 103 kg/m3 ), b) en ácido nítrico ( densidad: 1.522 x 103 kg/m3 )? y ¿Cuál será su peso aparente en
cada uno de estos líquidos?
19. Un bloque de piedra cuya densidad es 2600 kg/m3 pesa 480 N en el agua. Hallar su peso en el aire.
20. Un pedazo de metal pesa 1800 N en el aire y 1400 N cuando se le sumerge en agua. ¿Cuál es la densidad del metal?
21. Una pieza de determinada aleación pesa 500 N en aire y 450 N cuando se sumerge en agua. Calcular el volumen de la
pieza y su densidad.
22. Un cuerpo cuyo volumen es de 900 cm3 tiene un peso aparente de 1.8 N cuando se le sumerge en alcohol (densidad:
0.8 x 103 kg/m3). Calcular su peso en el aire y su densidad.
23. Un objeto pesa 300 N en el aire, se sumerge en agua después de atarlo a un cordel unido a una balanza y la lectura en
la escala es de 265 N. Inmerso en aceite, el objeto pesa 275 N, determine la densidad del objeto y del aceite.
*24. Una pieza fundida pesa 400 N y ocupa un volumen de 5 dm3. Por medio de una cuerda se suspende en un líquido de
densidad relativa 0,76. Hallar la fuerza de flotación o empuje hidrostático, así como la tensión T en la cuerda.
*25. Una caja de acero de 10 cm de lado está en el aire suspendida de un dinamómetro que indica un peso de 75 N. ¿Cuál
será la lectura del dinamómetro, si la caja se introduce en alcohol? ( ρacero = 7500 kg/m3 ; ρalcohol = 790 kg/m3 )
-26. Una sonda climatológica opera en equilibrio a una altitud donde el aire tiene una densidad de 0.9 kg/m3. La sonda esta
llena con hidrógeno ( ρH = 0.09 kg/m3 ) y tiene un volumen de 20 m3. Si la bolsa de la sonda pesa 118 N, ¿qué carga
puede soportar a este nivel?
27. Un dirigible de densidad de 0.012 kg/m3, contiene 5400 m3 de helio de 0.179 kg/m3. Encuentre el peso de la carga, que
el dirigible puede transportar en equilibrio a una altitud de 0.5 km, donde el aire es aproximadamente de 1.2 kg/m3.
28. Un globo de masa despreciable, se llena con helio ( ρHe = 0.18 kg/m3 ) hasta obtener 40 m de diámetro, .¿ Qué masa
total puede levantarse mediante este globo esférico, estando en equilibrio a una altitud donde el aire es de 0.9 kg/m3.
29. Un globo lleno con helio soporta una carga de 1 ton y se encuentra en equilibrio a cierta altitud donde la densidad del
aire es de 0.9 kg/m3 . Si la carga incluye la masa del globo, determine su volumen y el radio si este fuera esférico.
30. Un globo pesa 1500 N incluyendo el gas y lleva un carga de 2500 N. ¿Cuántos m3 de helio ( ρHe = 0.18 kg/m3 ) debe
contener para que esté en equilibrio a cierta altitud, donde la densidad del aire es 0.9 kg/m3?
-31. Calcular la fuerza de ascenso cuando se libera un globo lleno de hidrógeno con un volumen de 500 m3. Lleva una barquilla cuyo peso más el de objetos y personas es de 3000 N, su volumen es despreciable comparado con el del globo.
32. Un globo tiene una capacidad de 1 000 m3. Hallar su fuerza ascensional cuando se llena con helio y se libera. Densidad
media del aire = 1.29 kg/m3, densidad media del helio = 0.18 kg/m3 y densidad media del globo = 0.012 kg/m3.
-33. Un globo de 20 kg se llena con hidrógeno, hasta adquirir 80 m3 de volumen máximo. ¿Qué fuerza se requiere aplicar
para evitar (anclar) que el globo ascienda?
34. Un globo esférico de caucho, vacío tiene una masa de 0.012 kg. El globo se llena con helio de densidad de 0.18 kg/m3
y obtiene un radio de 0.5 m. Si el globo se ata mediante un cordel a tierra, ¿cuál es la tensión en el cordel?
*35. Un globo meteorológico de 600 kg está diseñado para levantar un paquete de 4000 kg. ¿Qué volumen debe tener el
globo después de ser inflado con helio a PTE, para que pueda levantar la carga a cierta altitud y estar en equilibrio?
*36. Un globo vacío de 0.25 kg, inflado con helio tiene un radio esférico de 0.4 m y atado a su base un cordel de 0.05 kg y
2 m de longitud. Cuando se suelta, el cordel cuelga y esta en equilibrio, que longitud de cordel cuelga al piso.
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Resumen de Conceptos en Ecuaciones
r=
m
V
p=
d=
Fuerza
Área
rsustancia Waparente en líquido
Wreal de la sustancia
=
=
ragua
Waparente en agua
Fflo-sustancia (Wr-s + Wap-s2 - Wap-conj )
pman = r gh
;
;
Fflo = (rVg ) L.d
;
W = mg = rVg
Fent
F
= sal
Aent
Asal
;
Fent
Fsal
=
2
2
Dent
Dsal
( patm = 1.013 x105 Ps)
pabs = pman + patm
;
Fflo = WT - Wap
;
Mi =
;
Fasc = Fflo - WT
Fsal
A
d
= sal = ent
Fent
Aent dsal
Densidades de algunas sustancias medidas en kg/m3
Líquidos
Gases*
Densidad ( ρ )
Densidad ( ρ )
*
Sólidos
a 1 atm y 0 ºC (PTE)
Hueso
Concreto
Vidrio
Latón
Aluminio (Al)
Cobre (Cu)
Oro (Au)
Plata (Pl)
Hierro (Fe)
Plomo (Pb)
Acero
Níquel
Platino
Estaño
Cinc
Cuarzo
Diamante
Hielo
Corcho
Madera pino
Madera encino
Madera roble
Madera ébano
Ladrillo
Cemento
1500 - 2000
2200 - 2300
2400 - 2800
8470 - 8700
2699
8960
19300 - 19320
10490
7870
11360
7800
8902
21450
7298.4
7133
2660
3500 - 3520
917
200 - 300
400 - 600
600 - 800
810 - 840
900 - 1300
1400 - 2200
2700 - 3000
Alcohol etílico
Alcohol metílico
Aceite
Acetona
Gasolina
Querosina
Aguarrás
Aceite hidráulico
H2O dulce (4 ºC)
H2O de mar (4 ºC)
Glicerina
Benceno
Aceite de algodón
Ácido nítrico
Ácido acumulador
Anticongelante
Sangre entera
Plasma sanguíneo
Mercurio
Aceite de oliva
Éter
790 - 806
820
725
790
670 - 740
820
870
800
1000
1030
1260
879
926
1522
1280
1073
1060
1030
13600
920
740
Aire (0 ºC)
Aire (30 ºC)
Oxígeno
Dióxido de carbono
Helio
Hidrógeno
Nitrógeno
Vapor de H2O (100 ºC)
Cloro
Radón
Kriptón
Argón
Xenón
Neón
Densidad ( ρ )
1.29
1.16
1.429
0.76 - 1.98
0.1785
0.08988
1.25
0.598 - 0.63
3.214
9.96
3.733
1.6626
5.895
0.8999
* PTE : presión y temperatura estándar, a menos que se especifique otra cosa