En qué consiste el principio de Arquímedes

principio de Arquímedes

Para  la física el principio de Arquímedes representa ser un importante aporte, ya que explica el tipo de fuerza que experimenta un cuerpo cuando es sumergido en un fluido. Este principio afirma que la reacción es un empuje en dirección vertical hacia arriba, el cual tendrá una fuerza que es comparable con la del fluido donde ha sido sumergido el cuerpo en cuestión.

Para poder realizar un estudio de este fenómeno físico, se debe realizar en dos parte,. La primera es analizar la fuerza en una porción del fluido que está en equilibrio con el resto del mismo. En cambio, la segunda parte consiste en  sustituir esa misma porción por un cuerpo sólido, que tenga las mismas dimensiones así como la misma forma del envase.

A continuación explicaremos más acerca de qué trata este principio. Indicaremos cuál es la base científica del mismo y su respectiva teoría. Igualmente, mencionaremos cuáles son sus características, cómo se calcula y estableceremos algunos ejemplos.

Un poco de historia sobre el principio de Arquímedes

El nombre completo del creador de este principio era Arquímedes de Siracusa. Fue hijo de un astrónomo, además de que reveló desde temprana edad su gusto por los estudios y la ciencia. Un viajero incansable, gran amante de las matemáticas y observador de los fenómenos de la naturaleza.

Hay muchas anécdotas respecto a Arquímedes. No obstante, la más importante tiene que ver con un reto matemático. Este consistía en dilucidar el volumen de un objeto que tenía forma muy irregular. En particular, se deseaba saber el volumen de la corona triunfal fabricada para el gobernador de Siracusa. El asunto es que no se sabía si dicha obra de orfebrería había sido fabricada en oro, o con un metal similar. La única manera de saberlo y reconociendo su densidades actor, pero para ello era necesario saber el volumen de dicha corona.

Se dice que Arquímedes pasó mucho tiempo pensando en este problema. Hasta que un día la gente lo vio o corriendo desnudo por las calles. Gritaba una y otra vez: ¡Eureka! ¡Eureka! ¡Lo encontré! Al parecer, Arquímedes se había estado bañando. Al meterse en la tina, que se percató que el agua ascendía desde su nivel original. Primero introdujo todo su cuerpo y la bañera. El agua subió bastante. Luego, introdujo solamente un brazo y el agua subió una menor cantidad.

Con la observación anterior, se dice que Arquímedes dedujo lo siguiente: “el volumen de un cuerpo es igual al volumen de agua que se desplazó cuando dicho cuerpo se sumerge en el líquido”.

TE PUEDE INTERESAR...

Hay que agregar que principio de Arquímedes tiene otras implicaciones. Por ejemplo, señala cual es la fuerza del empuje del agua al ascender debido al sólido que se sumerge en ella. Esto depende del volumen del sólido, mientras más denso sea mayor en la fuerza del agua al desplazarse. Se trata de uno de los principios esenciales de la hidrostática, mismo que ha tenido una enorme aplicabilidad a lo largo de los siglos.

principio de Arquímedes

Descripción del efecto de la fuerza de empuje 

Si un cuerpo que está sumergido que tiene una densidad (p) está rodeado por un fluido que tiene otra densidad (pf). Entonces, lo primero que se debe calcular es el área base de ese cuerpo (A) por su altura (h).

La presión que se ejerce del fluido con respecto a la base superior es de p1= ρfgx, mientras que la presión del fluido en la base inferior es de p2= ρfg(x+h). En la superficie lateral la presión es variable y además depende de la altura la cual estará entre dos valores que son p1 y p2. En la superficie lateral las fuerzas debidas en la presión se anulan, mientras que las otras fuerzas son las que se muestran a continuación:

  • mg es el peso del cuerpo
  • p1·A es la fuerza debida a la presión sobre la base superior
  • p2·A es la fuerza debida a la presión sobre la base inferior
  • En equilibrio estará:
  • mg+p1·A= p2·A
  • mg+ρfgx·A= ρfg(x+h)·A ó mg=ρfh·Ag

Será mayor la presión que se encuentra en la cara inferior del cuerpo y en la cara superior la presión es la diferencia que es ρfgh. Por lo tanto, ocurre que el resultado en la fuerza que va hacia arriba ρfgh·A sobre la del fluido que le rodea. El origen de la fuerza de empuje está en la diferencia que hay entre la presión de la parte superior con respecto a la parte inferior del cuerpo.

Lo antes dicho es una deducción posterior del principio de Arquímedes. Vale decirse que la misma parte de un principio: del líquido que se desplaza no solo hace en forma vertical, sino en todas las direcciones de ejerciendo presión sobre el envase que lo contiene. Esto es de gran importancia, sobre todo teniendo en cuenta que debido a la tercera ley de Newton, sucede que el líquido también ejerce presión sobre el objeto que se hunde. Esto es de gran importancia en el caso de los submarinos.

Otras consideraciones sobre el principio de Arquímedes

Sin embargo, también hay que pensar que ocurriría en otro caso. Si un cuerpo cuyas característica es que tiene su base plana como puede ser el cilindro, la densidad en este caso podría ser mayor en comparación con la del fluido, por lo cual estará descansando en el fondo. Cuando no hay la presencia de fluido entre el cuerpo con el fondo del recipiente donde se encuentra es importante preguntarse si aún existe fuerza de empuje.

En caso de llenar un recipiente con agua, para posteriormente colocar un objeto en el fondo del mismo, este estaría en estado de reposo por su propio peso. Es decir, que en el principio de Arquímedes hay que tener en cuenta la forma del objeto. Un objeto que tenga poca superficie al momento de hundirse (en la zona de contacto con el agua) se sumergida mayor velocidad. Por ejemplo, si se colocó una pirámide invertida en el agua (colocando la punta en la superficie poética) esta subida con rapidez. No obstante, si se coloca al revés (con la base y mayor superficie en contacto con el agua) entonces tenderá a flotar por un tiempo.

Los gases y el principio de Arquímedes

Este principio se aplique inicialmente en el agua. Luego, se hace extensivo otros líquidos. De hecho, su creador lo piensa solamente para sustancia líquida. Empero, en épocas recientes se habla de “fluidos”, con lo cual se dice que con los gases también se puede aplicar este principio.

De hecho, si un objeto se desplaza en un espacio donde hay una determinada cantidad de aire, sucede que el aire se va desplazar teniendo en cuenta el volumen de dicho objeto. Igualmente, va a cumplir con todos los preceptos del principio de Arquímedes. Es decir, esta formulación de la física también es válida para entorno gaseoso.

En tal sentido, esta idea pensada por el sabio griego también se aplique la aerodinámica. Lo que demuestra que se trata de un descubrimiento importante para el mundo de la ciencia en sus diversas aristas.

principio de Arquímedes

Algunas aplicaciones de principio de Arquímedes

Este principio es de enorme utilidad. Queremos demostrar las ventajas del mismo mediante un conjunto de ejemplos. Invitamos a nuestros lectores a repasar la información que damos en la siguiente lista:

  • Una de las aplicaciones del principio de Arquímedes se encuentra la navegación. Los barcos se diseñan de manera que su centro quede siempre por encima del centro de gravedad, lo cual les otorga una mayor estabilidad.
  • En el caso de los submarinos, lo que se hace qué se permite la entrada de agua en el casco de estos aparatos de navegación. De esta manera logran sumergirse. Luego, para acceder, se valen de motores para expulsar el agua.
  • En los globos aerostáticos. En este caso, sucede que el aire caliente pesa menos que el aire frío. Es decir, tienen menor densidad. Ello hace que el globo aerostático se mantenga flotando, siempre y cuando la cantidad de aire que tienen su interior tengo la temperatura mayor a la del exterior.
  • En compuertas y esclusas como las del canal de Panamá. En ciertos casos, se utilizan los principios de Arquímedes para lograr que el agua se mantenga un determinado nivel. Hay que recordar que este canal dos océano, el Atlántico y el Pacífico, que se encuentran altura diferentes.

No cabe duda que el principio de Arquímedes tiene gran cantidad de aplicaciones. Incluso, ha sido utilizado para viajes espaciales con el fin de entender la manera como puede desplazarse un objeto en los fluidos y densidades del universo. Por otra parte, hay gran cantidad de cálculos que permiten explicar en este principio. Por ejemplo, en la fórmula de Euler y diversos cálculos relacionados con la mecánica de fluidos. 

En resumen, podemos inferir que en principio tienen un origen completamente empírico. Sin embargo, para tratar de explicarlo de manera racional se ha logrado tener diversos avances científicos. Esta es la razón de su importancia en la causa por la cual hemos elaborado este post para información a nuestros lectores.

Deja un comentario