Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Flotabilidad y el principio de Arquímedes


En el estudio de la mecánica de fluidos, es importante entender cómo los objetos interactúan con los fluidos. Dos conceptos fundamentales en este campo son la flotabilidad y el principio de Arquímedes. Esta lección proporcionará información detallada sobre estos conceptos, explicando sus principios, importancia y aplicaciones en el mundo real.

Flotabilidad

La flotabilidad es la fuerza ascendente ejercida por un fluido que se opone al peso de un objeto colocado en él. Por eso los objetos flotan o se hunden en el agua. Veamos más detalladamente cómo funciona esta fuerza y qué factores la afectan.

¿Qué es la fuerza de flotabilidad?

Cuando un objeto se sumerge en un fluido (total o parcialmente), experimenta una fuerza ascendente de flotabilidad. Esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado por el objeto. El principio que rige la flotabilidad es el mismo para todos los fluidos, lo que significa que se aplica tanto a líquidos como a gases.

Fuerza de flotabilidad (F_b) = peso del fluido desplazado

Factores que afectan la flotabilidad

  1. Volumen del objeto: Los objetos más grandes desplazan más fluido, aumentando la fuerza de flotabilidad.
  2. Densidad del fluido: Cuanto más denso sea el fluido, mayor será la fuerza de flotabilidad para una cantidad determinada de desplazamiento.

Ejemplo visual

Agua objeto

Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes explica por qué ocurre la flotabilidad. Afirma que un objeto sumergido en un fluido es levantado por una fuerza igual al peso del fluido que desplaza. Este principio ayuda a predecir si un objeto flotará o se hundirá.

F_b = ρ_fluido × V_desplazado × g

Donde:

  • F_b es la fuerza de flotabilidad.
  • ρ_fluido es la densidad del fluido.
  • V_desplazado es el volumen del fluido desplazado.
  • g es la aceleración debido a la gravedad (aproximadamente 9.81 m/s² en la Tierra).

Entendiendo mediante ejemplos

Ejemplo: barco flotante

Un barco flota porque desplaza una cantidad de agua igual a su propio peso. Cuando entra al agua, se hunde hasta que el peso del agua desplazada iguala su propio peso, después de lo cual flota.

¿Por qué flotan los barcos?

A pesar de que los barcos están hechos de materiales pesados, pueden flotar debido a su forma, que desplaza un gran volumen de agua. La densidad total del barco (incluyendo sus partes huecas llenas de aire) es menor que la densidad del agua, lo que le permite flotar.

Aplicaciones en la vida real: submarinos

Los submarinos pueden flotar en la superficie o hundirse hasta el fondo del océano controlando su flotabilidad. Ajustan su flotabilidad cambiando la cantidad de agua en sus tanques de lastre.

Ejemplo visual

Submarino

Cálculo de la fuerza de flotabilidad

Para calcular la fuerza de flotabilidad que actúa sobre un objeto, necesitamos conocer el volumen del objeto sumergido en el fluido y la densidad del fluido. Una vez conocidos estos valores, se puede aplicar la fórmula de la flotabilidad.

Ejemplo: cálculo de la fuerza de flotabilidad

Considere un trozo de madera con un volumen de 0.5 m 3 sumergido en agua. Si la densidad del agua es de 1000 kg/m 3, ¿cuál será la fuerza de flotabilidad?

Utilizando F_b = ρ_fluido × V_desplazado × g:
F_b = 1000 kg/m³ × 0.5 m³ × 9.81 m/s²
F_b = 4905 N

La fuerza de flotación que actúa sobre el bloque es de 4905 N.

Flotación y hundimiento: densidad y flotabilidad

Si un objeto flota o se hunde, se determina comparando la densidad del objeto con la densidad del fluido en el que se encuentra.

  • Flotación: Si la densidad de un objeto es menor que la densidad del fluido, el objeto flotará.
  • Hundimiento: Si la densidad de un objeto es mayor que la densidad del fluido, el objeto se hundirá.

Ejemplo: ¿flotará?

Un trozo de plástico con una densidad de 600 kg/m³ se coloca en un aceite con una densidad de 800 kg/m³. ¿Flotará el plástico?

Como la densidad del plástico (600 kg/m³) es menor que la densidad del aceite (800 kg/m³), el plástico flotará.

Densidad y el principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes no se limita al contexto del agua, sino que se aplica a cualquier fluido. Permite predecir la capacidad de un objeto de flotar basándose en su densidad. Esta aplicabilidad universal lo convierte en una piedra angular de la mecánica de fluidos.

En conclusión

La flotabilidad y el principio de Arquímedes son componentes esenciales de la mecánica de fluidos, proporcionando un marco para entender por qué y cómo los objetos interactúan con los fluidos. Al dominar estos conceptos, uno adquiere una comprensión de cómo los objetos flotan, se hunden y se mueven en sistemas de fluidos. Este conocimiento se utiliza en una variedad de campos, incluyendo la ingeniería, la biología, la oceanografía e incluso la aeroespacial.

A través de cálculos, teoremas y ejemplos, la Flotabilidad y el Principio de Arquímedes revelan las fascinantes interacciones entre los objetos y los fluidos que contienen, y demuestran las leyes fundamentales de la física que rigen fenómenos cotidianos.


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