FÍSICA GENERAL. Guía de laboratorio 03: Principio de Arquímedes

Transcripción

1 FÍSICA GENERAL Guía de laboratorio 03: Principio de Arquímedes I. LOGROS ESPERADOS a) Mide la fuerza de empuje sobre un cuerpo sumergido en agua. b) Obtiene la densidad del fluido utilizando el principio de Arquímedes, para compararlo con su valor referencial. II. EQUIPOS Y MATERIALES Nº Cant. Descripción Código 1 1 Xplorer GLX WA Laptop (inc. AC Adapter 65 W 20 V ) + Software Capstone 3 1 Force Sensor ME Sólido cilíndrico 5 1 Balance SA Lab Medium Jack ME cm Steel Rod ME cm Steel Rod ME Pie de Rey ME cm Hilo resistente SE Universal Table Clamp ME-9376B 12 1 Vaso pirex de 1000 ml III. INTRODUCCIÓN Un cuerpo sumergido en un fluido es empujado con una fuerza igual al peso del fluido desplazado, esto es conocido como Principio de Arquímedes, el cual es una consecuencia de las leyes de Newton y de las propiedades de un fluido. El volumen sumergido es igual al área de la sección transversal, del cuerpo, multiplicado por la altura sumergida. Éste último es igual al volumen desplazado (Fig. 01) Si realizamos el diagrama de fuerzas al volumen cilíndrico, durante el equilibrio (Ver Fig. 01), resulta: Fig. 01: Diagrama de cuerpo libre del cilindro sumergido 1

2 En este caso la magnitud de la tensión de la cuerda medido por el sensor de fuerza, será equivalente a la magnitud del peso aparente del cilindro dentro del agua. Luego, de la ecuación 2 se puede despejar la fuerza de empuje en función del peso del cilindro y el peso aparente : Finalmente, la fuerza de empuje también puede analizarse en función del volumen sumergido, la aceleración de la gravedad y la densidad del fluido a través de la relación En esta sesión experimental, mediremos el empuje mediante la ecuación (3) y usando el sensor de fuerza para determinar el peso aparente. Con éstos resultados, determinaremos la densidad del fluido por medio de la ecuación (4). IV. PROCESO EXPERIMENTAL 4.1 Disposición del equipo a) Verifique la disposición del equipo tal como muestra la Fig. 02. b) Encienda el GLX y presione para acceder al menú de opciones. Use las direccionales y diríjase a la opción Datos. c) Presione entrar y se mostrará el valor de la fuerza en forma digital medidos por el sensor de fuerza. d) Antes de suspender el cilindro e iniciar la toma de datos, calibre el sensor de fuerza presionando el botón ubicado en la parte frontal (Ver Fig. 04). Esto permitirá poner la lectura en cero. e) Mida el diámetro del cilindro y anote sus resultados en la Tabla 01. Use 4 cifras significativas para reportar su medida. f) Mida cinco alturas del cilindro con la regla milimetrada (desde la base hasta cada una de las marcas, separadas aproximadamente 2,0 cm) y anote todos sus resultados en la Tabla 01. Use 3 cifras significativas para reportar sus medidas. g) Tenga en cuenta que cada altura medida será sumergida para calcular posteriormente el Fig. 02: Sistema experimental y medida del peso en el aire volumen y fuerzas de empuje. 2

3 4.2 Medida del peso del cilindro en el aire y del peso aparente a) Registre su primera medición de peso del cilindro en el aire y anótelo en la Tabla 01. Ver Fig. 02. b) Vierta agua en el vaso pírex hasta los 600 ml. Evite sumergir todo el recipiente cilíndrico o vaciar su contenido. c) Antes de suspender el cilindro de plástico, presione el botón ubicado en el sensor de fuerza para ponerlo nuevamente en medición a cero (Fig. 04). d) Sumerja el cilindro hasta la primera marca (Comenzando desde abajo) y registre los datos del peso aparente (tensión) y anótelos en la tabla 01. Utilice solo el soporte regulable para elevar el vaso pírex (Fig. 03). e) Observe la pantalla del GLX donde indica el valor de los pesos aparentes cada vez que se introduzca el cilindro. f) Repita el procedimiento para las otras 04 alturas (el peso aparente irá disminuyendo conforme se sumerja el cilindro). h) Calcule la magnitud de la fuerza de empuje Fig. 03: Sólido sumergido para determinar el empuje para cada altura sumergida, usando la Ecuación 3. Anote sus resultados en la Tabla 01. Fig. 04: Calibración Sensor de Fuerza i) Calcule del área de sección transversal del cilindro. Anote sus resultados en la Tabla 02. j) Calcule el volumen de cilindro sumergido. Anote estos resultados en la Tabla Elaboración del gráfico Empuje (N) vs Volumen (m 3 ) en el programa Capstone a) Con los datos de la Tabla 01, elabore la gráfica Empuje (N) vs Volumen (m 3 ), para ello siga lo siguientes pasos: b) Inicie el programa Capstone y elija el ícono donde aparezca la opción Tabla y gráfico (Fig. 05) 3

4 Fig. 05: Inicio del programa Capstone y elección de la opción tabla de datos y gráfico c) Seleccione la medición, luego Crear nuevo seguido de la opción, Datos creados por el usuario (Fig. 06). Fig. 06: Creación de nueva selección de medición e introducción de datos d) Digite Volumen en la primera columna y Empuje en la segunda columna (Fig. 07). Luego en la gráfica de la derecha seleccione la medición en el eje de las abscisas que concuerde con la escrita en la primera columna, de igual forma para el eje de las ordenadas (Fig. 07). 4

5 Fig. 07: Elección del tipo de medición en ambos ejes. e) Ingrese los datos y obtenga el gráfico mostrado en la Fig. 08 (al introducir sus datos use el punto decimal en vez de la coma). Luego seleccione la opción ajuste la ventana. ubicado en la parte superior de Fig. 08: Ingreso de datos por columna y uso de la opción ajuste f) Elija la opción Lineal mx + b (ajuste lineal) para la gráfica Empuje (N) vs Volumen (m 3 ), de esta forma se mostrará un cuadro de variables para una ecuación lineal (Fig. 09), siendo m (slope-pendiente) el valor de la densidad experimental multiplicado por la gravedad, visto en la Fig

6 Fig. 09: Uso de la opción ajuste lineal para hallar la pendiente. Fig. 10: Ajuste lineal de la gráfica Empuje (N) vs Volumen (m 3 ) y obtención de la pendiente obtiene la densidad experimental) (Se Observación: Para obtener el valor de la densidad experimental, se debe dividir el valor obtenido como pendiente, entre la magnitud de la aceleración de la gravedad ( ). g) Finalmente en la Tabla 03 calcule el error relativo porcentual para la densidad del agua. 6

7 FISICA GENERAL: REPORTE DE LABORATORIO Laboratorio 03: Principio de Arquímedes APELLIDOS y NOMBRES Curso Profesor Fecha/Hora N o Reserva Parecer A. TOMA DE DATOS Tabla 01: Medida del diámetro, peso, peso aparente y cálculo de empuje para diferentes alturas Diámetro del cilindro D (m) Peso del cilindro en el aire (P) (N) Alturas (m) Peso aparente ( ) (Medido por el sensor Fuerza) (N) Empuje (N) B. CALCULOS Y RESULTADOS Tabla 02: Cálculo del área transversal y volumen sumergido Alturas (m) Área de sección transversal (m 2 ) Volumen sumergido (m 3 ) 1

8 Elaboración del gráfico vs y obtención de la densidad experimental ( ) del Tabla 03: Cálculo de error relativo porcentual para la densidad ( ) ( ) 1000 Cálculo de error experimental porcentual (E % ) C. CONCLUSIONES Resuma brevemente la experiencia enfatizando si en ésta se consiguió comprobar los logros/hipótesis iniciales. Caso contrario, indique los factores por los cuáles esto no fue posible y proporcione algunas recomendaciones finales para el correcto desarrollo de la experiencia

9 Physics Open-Lab Ingeniería USIL Experimento número: Fecha: Código de Reserva: Apellidos y Nombres: Profesor del Curso: PARECER: Concluido Satisfatóriamente (CS) No concluido (NC) CS ( ) NC ( ) Curso: Bloque: Recibido por: Firma del estudiante: Physics Open-Lab Ingeniería USIL Experimento número: Fecha: Código de Reserva: PARECER: Concluido Satisfatóriamente (CS) No concluido (NC) CS ( ) NC ( ) Apellidos y Nombres: Profesor del Curso: Curso: Bloque: Recibido por: Firma del estudiante: Physics Open-Lab Ingeniería USIL Experimento número: Fecha: Código de Reserva: PARECER: Concluido Satisfatóriamente (CS) No concluido (NC) CS ( ) NC ( ) Apellidos y Nombres: Profesor del Curso: Curso: Bloque: Recibido por: Firma del estudiante: 3