Saludos estimados amigos de steemit.
Cuando le hablaba a un grupo de estudiantes sobre las propiedades de los líquidos, recordé el experimento con alcohol y aceite que es básicamente un juego con la densidad y que pone de manifiesto el principio de Arquímides, con el propósito de sorprenderles para que buscaran la explicación de cómo era posible que la gota de aceite quedara suspendida en el interior de otro líquido, como levitando.
Gota de aceite levitando en el interior de otro líquido. Fuente: @emiliomoron.
Seguro que todos hemos observado que al introducirnos en una bañera el nivel del agua se eleva, así como ocurre al introducir cualquier objeto en un recipiente lleno de cualquier líquido, si el objeto es más denso que el agua este se hunde y ocupa un espacio en el interior del líquido, desplazando una cantidad de líquido equivalente a su volumen, haciendo que el nivel aumente.
Existe otro fenómeno que resulta un poco menos evidente, pero que si lo podemos sentir en cuerpos que se encuentran sumergidos; quizás al entrar a una piscina hayan tenido la sensación de pesar menos, incluso resulta más muy fácil impulsarse fuera de la piscina, o que es más fácil mover objetos cuando están en el agua que cuando están fuera de ella. Esto es posible porque un cuerpo que se encuentra total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje en dirección contraria a su peso, esta fuerza de empuje es lo que determina la flotabilidad de un cuerpo, y es lo que hace que un cuerpo parezca más ligero en el agua.
Fuerzas que actuan sobre un cuerpo sumergido. Fuente: @emiliomoron.
Este fenómeno de flotación se debe a que cuando un cuerpo se encuentra sumergido dentro de un líquido, el líquido ejerce presión sobre las paredes del cuerpo. Las fuerzas que actúan de forma lateral se equilibran entre sí, ya que tienen el mismo valor a la misma profundidad, pero esto no ocurre con las fuerzas que actúan sobre la parte superior e inferior, por un lado el peso del cuerpo lo empuja hacia abajo, y por el otro, la fuerza de empuje aplicada por el líquido lo lleva hacia arriba. Y como a mayor profundidad la presión es mayor, las fuerzas ejercidas en la parte inferior son mayores que las ejercidas en la parte superior, por lo que la resultante de estas dos fuerzas está dirigida hacia arriba, tendiendo a impedir que el cuerpo se hunda.
Entonces, como el volumen del cuerpo sumergido es igual al volumen de fluido desplazado, la fuerza de empuje tiene una magnitud igual al peso al peso del líquido desplazado por el objeto sumergido expresado como ρ.V.g.
Este empuje que experimentan los cuerpos fue estudiado por el científico griego Arquímedes de Siracusa y recibe el nombre de Principio de Arquimedes en su honor, este principio expresa que:
"Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja."[1]
Por lo que la densidad del fluido también es importante, ya que mientras más denso sea el líquido, mayor masa tendrá por unidad de volumen, y el empuje será mayor.
Para poner a prueba el principio hemos tomado tres tubos de ensayo. En uno de ellos colocaremos una porción de agua y sobre ella una gota de aceite, en el segundo agregaremos metanol y una gota de aceite; y en el tercero, colocaremos primeramente una porción de agua seguida de una gota de aceite y por ultimo una porción de alcohol (debemos tener la precaución de agregarlos cuidadosamente para no agitar el contenido del recipiente y que la gota de aceite se pegue a las paredes del tubo).
El resultado:
Gota de aceite en: 1) agua, 2) metanol y 3) mezcla alcohol-agua. Fuente: @emiliomoron.
Notaremos que en el primer tubo el aceite flota sobre el agua, en el segundo la gota de aceite se hunde en el líquido, y en el tercero observaremos la gota de aceite sumergida en el líquido sin llegar a hundirse, como levitando en su interior.
Este es un juego de densidades: el agua posee mayor densidad que el aceite, que a su vez es más denso que el metanol. Así, el aceite flota sobre el agua en el primer recipiente, pero se hunde si lo agregamos sobre alcohol (segundo recipiente); en el caso del tercer recipiente lo que observamos es el efecto combinado de los dos primeros, formando una gota que ni flota ni se hunde. En el tercer recipiente al agregar el alcohol progresivamente sobre el agua se obtiene una mezcla con una densidad similar a la del aceite, y por el principio de Arquímedes las fuerzas que actúan sobre él se equilibran, produciendo que el cuerpo flote en equilibrio en su interior.
Gota de aceite en equilibrio en el interior del líquido. Fuente: @emiliomoron.
El principio de Arquímides se aplica a cuerpos de cualquier densidad, así, dependiendo de la densidad, es posible determinar el comportamiento del objeto al estar sumergido en un fluido, pudiendo ser:
1) si el cuerpo es más denso que el fluido en el cual se encuentra sumergido, el cuerpo se hundirá.
2) Si el cuerpo es menos denso que el fluido en el cual se encuentra sumergido, el cuerpo flotará en la superficie.
3) Si la densidad del cuerpo es igual a la densidad del fluido en el cual se encuentra sumergido, el cuerpo ni flotará ni se hundirá, permanecerá en equilibrio en cualquier parte del fluido.
En este experimento también se pone de manifiesto el efecto que tiene la tensión superficial para dar forma a los líquidos. Generalmente la gravedad produce que los líquidos adopten la forma del recipiente que los contiene, pero al estar sumergido en el interior de otro líquido de la misma densidad, su peso se equilibra con el empuje, y dada la tendencia de minimizar la tensión sobre la superficie,provoca que la gota de aceite adopte la forma esférica que se observa en la imagen.
Algunas de las aplicaciones del principio de Arquímedes son la flotación de los barcos, los submarinos y los salvavidas. Los grandes y pesados barcos flotan por que están diseñados para que su parte sumergida desplace un volumen de agua cuyo peso es mayor que el peso del barco. Igualmente un submarino normalmente flota, pero los submarinos pueden variar su peso dejando ingresar agua en los tanques de lastre, controlando así su densidad y con ello su flotabilidad. Y cuando nos colocamos un salvavidas podemos aumentar el volumen sin agregar mucho peso, reduciendo la densidad total del conjunto produciendo que podamos flotar con facilidad.
Bueno amigos, hasta aquí el presente post, espero que hayan encontrado interesante la información y pongan a prueba este sencillo experimento que deja en evidencia los principios mostrados, ¡hasta la próxima!
Referencias
1. Wikipedia.com. Principio de Arquímedes.
2. Enciclopaedia Britannica. Archimedes`principle.
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