Flotabilidad estática

Un objeto pesa menos cuando se sumerge en un líquido; dependiendo de la masa del líquido desplazado, el peso se reduce de acuerdo con el principio de Arquímedes .

La flotabilidad estática (en líquidos y elevación hidrostática , en gases, flotabilidad aerostática ) es el fenómeno por el que un cuerpo que en un fluido quiescente se encuentra sumergido (líquido o gas), aparentemente pierde peso. Parece que el cuerpo se ha vuelto más liviano, incluso se puede "levantar". En otras palabras: su peso está parcial, total o excesivamente compensado por la fuerza de flotabilidad estática (también conocida como fuerza de flotabilidad hidrostática ).

La flotabilidad (hidro) estática a menudo se equipara con la fuerza de flotabilidad (hidro) estática , aunque la flotabilidad en realidad solo describe el efecto creado por la fuerza .

Si el peso del cuerpo es mayor que la flotabilidad que actúa actualmente, el cuerpo disminuye en el líquido de . En la jerga de la Marina, esto también es flotabilidad negativa o flotabilidad negativa llamada, por ejemplo, en celdas de flotabilidad negativa de submarinos. Es la fuerza del peso más pequeño, por lo que los aumentos del cuerpo en el líquido en . Un movimiento impulsado por la flotabilidad finaliza cuando la fuerza de flotabilidad y el peso han encontrado un nuevo equilibrio. Por ejemplo, un globo aerostático se eleva hasta alcanzar una capa de aire de menor densidad, lo que provoca menos flotabilidad y tiene la misma densidad que el globo. Cuando hay un equilibrio de fuerzas, el globo flota sin ningún cambio de altitud. El equilibrio se puede lograr en un submarino que emerge a la superficie del agua dejando parcialmente el agua y reduciendo así su flotabilidad. El submarino flota en la superficie.

La fuerza de la flotabilidad estática resulta del principio de Arquímedes , es decir, depende del peso que ha actuado sobre el fluido ahora desplazado. La densidad del cuerpo a menudo se compara con la del fluido para hacer una declaración sobre el hundimiento, la flotación o el ascenso del cuerpo. La relación con la gravedad específica del fluido está desactualizada .

Cuando el fluido fluye alrededor de los objetos , también puede actuar la sustentación dinámica (que, si se dirige hacia abajo como presión de contacto , también se conoce como carga aerodinámica ), esta sustentación dinámica es el principio operativo físico para el vuelo de aves, aviones y helicópteros.

Antecedentes fisicos

La fuerza del agua en la parte inferior (b) es mayor que la fuerza del agua en la parte superior (a). Las fuerzas laterales (c) y (d) se anulan entre sí. Son irrelevantes para la flotabilidad.

La flotabilidad de un cuerpo sumergido en un fluido proviene del hecho de que la presión de un fluido en el campo gravitacional , la llamada presión hidrostática , aumenta con la profundidad, por lo que es diferente para cada cuerpo expandido "abajo" y "arriba" . Por ejemplo, si un cuerpo cuboide se sumerge con su base en un fluido, la presión hidrostática en la base ( marcada como b en la imagen ) es mayor que en la parte superior ( a ). En el caso de cuerpos de forma irregular, la fuerza de flotabilidad estática es la fuerza resultante de los componentes de fuerza (vertical) de las presiones hidrostáticas que actúan sobre todas las partes de la superficie.

Usando el cuboide sumergido, se puede deducir: Una fuerza de flotabilidad actúa sobre un cuerpo que está sumergido en un fluido con la densidad : ${\ Displaystyle \ rho}$${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {A}}}$

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {A}} = g \ rho V}$

Es el desplazado por el volumen corporal del fluido, el Erdfallbeschleunigung . ${\ Displaystyle V}$${\ Displaystyle g}$

El producto de la densidad y el volumen es la masa del fluido desplazado por el cuerpo. Y es su peso . La fuerza de flotabilidad estática corresponde así al peso del fluido, que estaría en lugar del cuerpo sumergido. ${\ Displaystyle \ rho V}$ ${\ Displaystyle m}$${\ Displaystyle g \ rho V}$

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {A} {\ text {, body}}} = F _ {\ mathrm {G} {\ text {, fluid}}}}$

Esta relación se conoce como el principio de Arquímedes .

Si la fuerza de flotabilidad estática se compara con el peso del cuerpo en cuestión, entonces la relación entre las densidades del cuerpo y el fluido es decisiva para esta comparación. Esto se puede resumir de tal manera que un cuerpo flota en un fluido cuando su densidad media es exactamente la misma que la del fluido circundante, que sube a menor densidad o se hunde a mayor densidad. ${\ Displaystyle {\ vec {F}} _ {\ mathrm {A}}}$${\ Displaystyle {\ vec {F}} _ {\ mathrm {G}}}$

La paradoja hidrostática establece que la presión solo depende de la profundidad y no de la forma de un fluido. Por tanto, la fuerza de flotación es independiente de la cantidad de líquido en la que se sumerge el cuerpo. Por lo tanto, el principio también se aplica si, por ejemplo, el líquido restante tiene un volumen menor que la parte sumergida del flotador.

La fuerza de flotabilidad es menor que la fuerza del peso: hundimiento

• 

  Dasímetro a presión de aire normal: ambos cuerpos parecen tener la misma masa

• 

  Dasymeter en el vacío: Debido a la falta de flotabilidad, los dos cuerpos de densidad desigual ya no están en equilibrio.

• 

  Zeppelin durante la maniobra de aterrizaje (1936), para equilibrar el agua de lastre (delantero) se drena

Una fuerza de flotabilidad no solo actúa sobre todos los cuerpos cuando se sumergen en una piscina, también es la misma en el aire. En circunstancias normales, este efecto es mucho menor (~ factor 1000) que en un líquido, pero para un pesaje preciso se debe tener en cuenta que al determinar la masa en el aire, solo se obtiene el valor de pesaje como valor aproximado. Incluso con cuerpos pequeños como gotas de aceite en el aire, la flotabilidad debe tenerse en cuenta para realizar mediciones precisas del equilibrio de fuerzas, ver el experimento de Millikan .

Según la leyenda, se suponía que Arquímedes de Siracusa verificaba el contenido de oro de una corona sumergiendo la corona y luego una barra de oro del mismo peso en un recipiente lleno de agua y midiendo la cantidad de agua que rebosaba. Galileo Galilei sospechaba que Arquímedes usó un balancín de haz, similar al que se muestra arriba, para medir las diferencias de densidad debido a la diferente flotabilidad en el agua.

La fuerza de flotabilidad es mayor que la fuerza del peso: ascendente

• 

  Los gases de humo que contienen vapor se elevan porque flotan en el aire ambiente frío (y más denso).

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  El fuego de hojas húmedas en quemaduras abiertas (sin efecto chimenea ) produce gases de humo más fríos que son más pesados debido al hollín y muestran poca flotabilidad.

• 

  Cuando la inundación del Rin 1993 de la cáscara flotante ubicada Schürmann-Bau (primer plano) en el aumento de agua subterránea en el edificio se destacó en lugares de hasta 70 centímetros.

• Los globos de aire caliente y de gas , así como las aeronaves, se elevan cuando su densidad media es menor que la del aire circundante. Esto se logra mediante un gas de elevación con una densidad más baja que el aire o mediante aire caliente. El aire caliente también tiene una densidad más baja que el aire circundante. Si el llenado de aire interior se enfría en un globo de aire caliente, el globo se hunde hasta que el aire se calienta nuevamente. Una aceleración vertical causada por la flotabilidad termina cuando la fuerza de flotabilidad y el peso están en equilibrio. Por ejemplo, un globo de aire caliente se eleva hasta que alcanza una capa de aire que tiene la misma densidad promedio que todo el globo (incluida la carga). En el equilibrio de fuerzas resultante , el globo flota sin ningún cambio de altura. Cuando un submarino aparece en la superficie del agua, el equilibrio se establece levantándose fuera del agua tanto que la fuerza de flotabilidad resultante del desplazamiento del agua es igual a la fuerza del peso. El submarino luego flota en la superficie.
• Con la convección natural, las diferencias de densidad aseguran una circulación por gravedad, que se utilizó en el (anticuado) calentamiento por gravedad .
• Los buzos taran con la ayuda de un compensador de flotabilidad que se puede llenar con un cilindro de aire comprimido. Llenar el compensador de flotabilidad aumenta la flotabilidad y el buceador asciende. A medida que la presión del agua disminuye a medida que disminuye la profundidad de buceo , el compensador de flotabilidad se expande (debido a la compresibilidad del aire) y el buceador asciende aún más rápido. Para no ser conducido a la superficie del agua, se debe liberar aire del compensador de flotabilidad. Respirar el aire comprimido también conduce a un cambio en el volumen de la parte superior del cuerpo. Este efecto también se puede utilizar para tarar a menor escala.
• El vulcanismo , los géiseres o las ollas de barro se basan en los efectos de flotabilidad, al igual que el surgimiento de burbujas de vapor desde el fondo de un recipiente cuando un líquido se calienta desde abajo cuando se hierve .
• Los edificios con sótanos se ven amenazados por la flotabilidad cuando el nivel del agua subterránea es alto . Una casa con un sótano hermético de hormigón armado puede flotar cuando sube el agua. Es por eso que tales sótanos a veces se inundan deliberadamente cuando se inundan. Asimismo, las piscinas vacías pueden flotar en el agua subterránea entonces elevada. En la inundación del tanque de aceite de calefacción en la habitación del tanque inundado puede flotar, inclinarse, los cables se pueden arrancar y lamer.
• Spaetzle o albóndigas subirán a la superficie en el agua de la olla si el aire cerrado, ahora calentado, provoca un aumento de volumen y, por lo tanto, una disminución de la densidad. Esto demuestra que están completamente calientes y cocidos.
• Las burbujas de CO ₂ en el vino espumoso aumentan debido a la flotabilidad.

La flotabilidad es igual al peso

Flotar

• 

  Globo solar

• Cuando una persona flota en el agua (en un tanque flotante ) o flota en la superficie como un "hombre muerto" , experimenta aproximadamente lo mismo que en la ingravidez . En este estado de levitación, el peso parece ser cero. Por ello, los viajeros espaciales se preparan para la ingravidez en charcos de agua y allí practican el trabajo que tienen que realizar, por ejemplo, fuera de la estación espacial o del transbordador espacial .
• Submarinos : con el buceo estático , los tanques de lastre se inundan deliberadamente. Esto permite mantener un submarino a cierta profundidad de agua.

Nadando en la superficie

Debido al mayor contenido de sal en el Mar Muerto , la densidad del agua es mayor que en el Mar del Norte , por ejemplo , lo que conduce a una menor profundidad de hundimiento debido a la misma flotabilidad.

Si, además de su peso, solo la flotabilidad estática actúa sobre un cuerpo en reposo parcialmente sumergido (por ejemplo, un barco) , entonces se aplica la fuerza de flotabilidad en equilibrio estático.${\ Displaystyle {\ vec {F}} _ {\ mathrm {G}}}$${\ Displaystyle {\ vec {F}} _ {\ mathrm {A}}}$

${\ Displaystyle {\ vec {F}} _ {\ mathrm {A}} = - {\ vec {F}} _ {\ mathrm {G}}}$

independientemente de la densidad del agua, que sin embargo influye en la profundidad de penetración del cuerpo (en equilibrio ) ${\ Displaystyle {F _ {\ mathrm {A}}} / {({\ bar {\ rho}} V)} = {\ bar {g}}}$

El llamado equilibrio de natación establece que:

${\ displaystyle {\ frac {\ text {Inmersión V}} {\ text {Volumen total}}} = {\ frac {\ text {Densidad d. cuerpo flotante}} {\ text {densidad del líquido}}}}$

Uso: calado de barcos

Los barcos flotantes están en un equilibrio estable: cuando se sumergen más profundamente en olas altas, el volumen de agua desplazado y, por lo tanto, la flotabilidad aumentan y se vuelven a levantar. Si se elevan demasiado, el volumen de agua desplazado y la flotabilidad disminuyen, y la gravedad les permite sumergirse nuevamente.

Si un barco escora hacia un lado, p. Ej. B. en círculo de giro o viento cruzado, el calado aumenta en este lado, mientras que disminuye en el otro lado. De acuerdo con las condiciones de presión cambiadas, el centro de sustentación se desplaza y surge un momento que contrarresta el escora y devuelve el barco a su posición inicial tan pronto como la influencia externa cede.

Si un barco está cargado, su peso aumenta, por lo que se hunde más profundamente en el agua y desplaza más agua que cuando está descargado. Debido a la mayor profundidad de hundimiento, entonces actúa más fuerza de flotabilidad, esto siempre está en equilibrio con la (ahora mayor) fuerza de peso .

Si este barco navega desde el Mar del Norte hacia el Elba y, por lo tanto, cambia de agua salada a agua dulce (que tiene una densidad más baja que el agua salada), la fuerza de flotabilidad disminuiría en agua dulce con la profundidad de inmersión sin cambios. Por lo tanto, el barco se hunde más profundamente hasta que la fuerza de flotación del volumen de hundimiento más grande está nuevamente en equilibrio con el peso del barco.

Marca de francobordo (izquierda) y marca de carga (derecha) en un buque: TF = Francobordo en agua dulce, trópicos
F = Francobordo en agua dulce
T = Francobordo en agua de mar tropical (agua salada del mar)
S = Marca de carga de verano en el mar agua
W = Francobordo en agua de mar en invierno
WNA = Francobordo en agua de mar en invierno en el Atlántico Norte

Los sellos de carga en los barcos indican las profundidades de inmersión (permitidas) en agua de diferentes densidades. Los dos bordes superiores horizontales del escalón (hacia la circular) marcan el francobordo para agua dulce en aguas continentales, cuatro inferiores uno debajo del otro para el agua salada más densa en los océanos con diferentes temperaturas.

El aumento de las vejigas de metano de hidrato de metano submarino en los sitios de almacenamiento, esto puede ser peligroso para el envío . Los científicos escoceses atribuyen esto al hundimiento de un arrastrero de pesca descubierto en el Agujero de las Brujas en el Mar del Norte . El aumento de las burbujas de gas , por tanto, pueden reducir la densidad de la agua de mar tanto que los buques de repente pierden su capacidad para nadar.

Aplicación: medición de densidad, medición de temperatura

Una fuerza de flotabilidad también actúa sobre un hidrómetro (también llamado husillo de densidad) que se sumerge en un líquido con la misma densidad : ${\ Displaystyle \ rho}$${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {A}}}$

${\ Displaystyle F _ {\ mathrm {A}} = g \ rho V}$

Por lo tanto, la profundidad de penetración se puede utilizar para determinar la densidad del líquido y, por lo tanto, posiblemente el contenido de sustancias disueltas, que se puede leer en una escala adaptada al propósito del hidrómetro. Un ejemplo típico de esto es el aerómetro a escala .

En un termómetro de líquido según Galileo Galilei , los cuerpos de flotabilidad dispuestos de acuerdo con la densidad del fluido dependiente de la temperatura en diferentes alturas en la posición de equilibrio respectiva

Un termómetro Galileo muestra la temperatura del líquido basándose en la flotabilidad de diferentes cuerpos en un líquido. Las esferas de vidrio utilizadas para este fin, cuyo diámetro es superior a la mitad del diámetro interior del cilindro (para que permanezcan en la estratificación y no se "superen" entre sí), se equilibraron con líquidos de tal manera que su La densidad media aumenta desde la esfera superior a la inferior. Dado que la densidad del líquido depende de la temperatura, la flotabilidad cambia según la temperatura. A una determinada temperatura, todas las esferas se elevan, cuyas densidades medias son menores que la densidad media del líquido que las rodea. Todas las esferas se hunden, cuyas densidades medias son mayores que la densidad media del líquido que las rodea. La temperatura actual se puede leer en la etiqueta pegada a la bola que flota en la parte inferior. Si el líquido se calienta, es decir, su densidad disminuye, otra bola se hunde y la nueva temperatura se puede leer en la etiqueta pegada a la bola que flota en la parte inferior.

El efecto de la flotabilidad que cambia con la temperatura también ocurre durante las inmersiones submarinas, cuando la temperatura del agua del mar disminuye al aumentar la profundidad del agua o el submarino alterna entre una corriente marina cálida y una fría durante el buceo estático.

Véase también la ilustración de las marcas de carga de barcos de arriba, que tienen en cuenta la diferente flotabilidad de los barcos en verano e invierno y en las frías aguas del Atlántico norte y en aguas tropicales más cálidas.

Aplicación: juguetes físicos

• Buzo cartesiano
• Lámpara de lava

Ver también

• Estática de fluidos
• Aerostática
• Isostasis

enlaces web

Wikcionario: Flotabilidad  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

• Derivación de la fuerza de flotabilidad a partir de la presión de la gravedad a nivel del alumno ( LEIFI )

Evidencia individual

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