GRUPO HEUREMA. EDUCACIÓN SECUNDARIA
ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA
ACCIÓN Y REACCIÓN. MEDIDA CUANTITATIVA APLICANDO EL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
La finalidad de este experimento es doble. Por una parte verificar el principio de Arquímedes y por otra, medir cuantitativamente las fuerzas de acción y reacción que aparecen entre dos cuerpos que interaccionan entre sí.
Material necesario
Dinamómetro de 1 N Dinamómetro de 2 N
Dinamómetro de 3 N Agua coloreada
Cilindro de metal Probeta graduada
Abrazadera para sostener la probeta
en el aire
Los dinamómetros deben tener una apreciación entre 0,01 N y 0,05 N para obtener
buenos resultados. La apreciación de la probeta empleada es de 2 mL.
En las fotografías el agua aparece
coloreada para ver mejor su nivel dentro de la probeta.
Recomendamos utilizar una probeta
de plástico en vez de una de vidrio para evitar su rotura y como consecuencia
un posible accidente.
Fig.1
Realización
Se hace el montaje de la fig.1 situando en la probeta un volumen de agua V = 50 mL y suspendiendo ésta del dinamómetro de 2 N. A su vez, se cuelga el cilindro del dinamómetro de 1N mediante un hilo.
Los pesos medidos son los siguientes:
Peso cilindro
;
Peso probeta
.
Se introduce el cilindro en el agua colgado de su dinamómetro, fig.2, sin dejar que toque el fondo, permaneciendo la probeta suspendida en el aire del suyo. Se hacen ahora las nuevas lecturas:
La pérdida de peso del cilindro vale:
.
Esta pérdida es producida por
el empuje que el agua ejerce sobre el cilindro, siendo éste de igual dirección y de sentido opuesto al peso
del cilindro.
El volumen leído en la probeta es ahora :
y el volumen de agua desplazada:
El peso del agua desplazada vale:
Lo que permite verificar que el empuje E, recibido por el cilindro al estar sumergido en el agua, es igual al peso del volumen del agua desplazada.
Verificación del tercer principio de la Dinámica de acción y reacción.
Si se restan las lecturas del
dinamómetro del que pende la probeta con agua; cuando se ha introducido dentro
el cilindro suspendido del hilo, pero sin tocar el fondo
, de la lectura del peso inicial de
la probeta y del agua
, se encuentra:
Ahora, la probeta y el agua ejercen
una fuerza sobre el dinamómetro, como si hubieran incrementado su peso en
0,34 N, mientras que el cilindro parecía haberlo disminuido en 0,35 N (está
diferencia de una centésima es debido a los errores experimentales).
La explicación de estos resultados numéricos
es la siguiente: Al introducir el cilindro en el agua ésta ejerce sobre
él una fuerza vertical y hacia arriba que designamos como el empuje de Arquímedes.
Ahora bien, si el agua interacciona con el cilindro, también éste interacciona
con el agua ejerciéndole, (como se deduce de los resultados numéricos) una
fuerza igual y contraria, que será vertical y hacia abajo. Esta fuerza se
transmite a través del agua hasta el fondo de la probeta y mediante ésta se
produce el “tirón” del dinamómetro hacia abajo, lo que justifica el incremento
de la fuerza vertical leída en este dinamómetro.
Fig.2
Verificación de cómo las fuerzas interiores
se anulan, al considerar en conjunto todo el sistema
Situamos el dinamómetro de 3N en el soporte y de él suspendamos la probeta, pero ahora dejamos suelto el hilo del cilindro, de modo que éste se vaya al fondo, fig.3. La lectura en éste dinamómetro es de 2,6 N.
Si calculamos el peso total del sistema sumando los datos medidos inicialmente por separado:
El valor coincide con el ahora encontrado, sin embargo, en la situación de la fig.3 el empuje sigue actuando sobre el cilindro, puesto que hay un volumen de agua desplazada y la pareja de acción reacción estará actuando en el fondo de la probeta,
Sucede ahora, que con un solo dinamómetro medimos la fuerza total sobre el sistema que no es otra que la fuerza exterior al mismo, el peso total del sistema, como hemos podido verificar. En consecuencia, comprobamos que las fuerza interiores al considerar el sistema en su conjunto, se anulan por parejas de acción-reacción.
Fig.3