Empuje y Estabilidad

INTRODUCCIÓN

Esta práctica describe la estabilidad y empuje de los cuerpos flotantes la cual es ejercida por una fuerza resultante ejercida sobre un cuerpo por un fluido estático que se encuentra sumergido; y como también la estabilidad es la propiedad de un cuerpo que tiende a volver a su posición o movimiento originales cuando el objeto se aparta de la situación de equilibrio o movimientouniforme, como resultado de la acción de unas fuerzas o momentos recuperadores.

Para el estudio de los fluidos en equilibrio constituye el objeto de la estática de los fluidos, con base en ecuaciones de estática y los cuerpos sólidos sumergidos en el líquido experimentan un empuje hacia arriba se conocerá si el objeto sumergido es estable o inestable.

En esta práctica se trata de calcularexperimentalmente el metacentro de un objeto, basándonos en ecuaciones dadas.

OBJETIVOS

* Poder identificar las condiciones de estabilidad para un cuerpo flotante.

* Deducir si un objeto flotara o no en un fluido con base en las densidades relativas.

* Demostrar que la altura metacéntrica permanece constante para pequeños ángulos de rotación en un cuerpo flotante.

*Demostrar la altura metacéntrica de forma teórica y experimental de un cuerpo flotante.

* Conocer de forma teórica y práctica en la que se manifiesta la estabilidad y empuje de los cuerpos flotantes.

MARCO TEÓRICO

Fuerza de Empuje

Principio de Arquímedes

Arquímedes de Siracusa (287 – 212 A.C.) sintió mientras se estaba bañando, que podía levantar sus piernas muy fácilmente, cuando estasse encontraban bajo la superficie del agua. Dado su interés, el encontró que el cuerpo se tornaba mas ligero debido a una fuerza de empuje (vertical y para arriba) ejercida sobre el cuerpo por el liquido, de manera de que el peso del cuerpo se veía aliviado. Tal fuerza, del líquido sobre el cuerpo, se denomina empuje.
Por lo tanto, un cuerpo que se encuentra inmerso en un líquido esta sujeto auna fuerza de empuje y la fuerza ejercida es el producto de la aceleración constante de la gravedad por la masa. Cuando un cuerpo esta sumergido totalmente en un líquido se tienen las siguientes condiciones:

* El objeto permanece estático pero por debajo de la superficie del líquido. En este caso la intensidad del empuje es igual a la del peso del objeto.

* El objeto se va hundiendodesde que se ha colocado en contacto con el líquido o a una profundidad determinada. Que en este caso la intensidad del empuje es menor a la del peso del objeto.

* Cuando el objeto va emergiendo desde que se coloco en lo más profundo o una profundidad determinada; ya que para este caso la intensidad del empuje es mayor a la del peso del objeto.

A partir de las situaciones anteriores seobtiene el siguiente enunciado:

“Todo cuerpo en contacto con un fluido (liquido o gas) sufre, por parte del fluido, un empuje (fuerza) vertical hacia arriba cuya intensidad es igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo”.

La explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes (figura 1).



Representación del empuje y el peso de un cuerpo.

1. Para el estudio delas fuerzas sobre una porción del fluido en equilibrio con el resto del fluido. La fuerza que ejerce la presión del fluido sobre la superficie de separación es igual a pS 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 dichaporción de fluido. A esta resultante se denomina 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

2. La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo solido de la misma forma y dimensiones. Si se sustituye la porción de cuerpo...