El principio de Arquímedes nos dice que un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza de flotación igual al peso del fluido desplazado. Esta fuerza se debe a la presión que el fluido ejerce sobre la superficie del objeto sumergido.
Un fluido es una sustancia que fluye continuamente, ya sea en estado gaseoso o líquido. Los fluidos pueden ser líquidos comunes (como el agua), gases (como el aire),fluidos especiales (como los aceites lubricantes).
El principio de Arquímedes fue descubierto por Arquímedes de Siracusa, un ingeniero y matemático griego que vivió en el siglo III a. C., uno de los científicos más importantes de la Antigüedad. Según la leyenda, descubrió este principio mientras se bañaba. Como curiosidad, añadiremos que además de la ley que lleva su nombre, también inventó la rueda hidráulica y el torno mecánico, y realizó importantes aportaciones a la geometría y la trigonometría.
¿Qué es el principio de Arquímedes?
El principio de Arquímedes es una ley física que describe el comportamiento de los cuerpos flotantes y sumergidos en un fluido.
De acuerdo con el experimento de Arquímedes, el volumen del fluido desalojado es igual al volumen del objeto sumergido. Al mismo tiempo, según este principio el cuerpo sumergido experimenta una fuerza de empuje hacia arriba igual al peso del volumen del fluido desalojado.
Esta fuerza, que se conoce como "empuje", se produce cuando los fluidos interaccionan con objetos sólidos. El fluido ejerce una presión en cada porción de superficie del objeto. El empuje es la suma de todas estas presiones por unidad de área y se aplica en el centro de gravedad del objeto de estudio.
El peso que corresponde al fluido desalojado es igual al producto de la aceleración de la gravedad por la densidad del fluido y por el volumen de dicha porción.
Funcionamiento básico
Imagina que estás dentro de una piscina flotando, es decir, parcialmente sumergido. Según el principio de Arquímedes, estás experimentando una fuerza hacia arriba igual al peso del agua que has desplazado.
En otras palabras, la fuerza que ejerce la gravedad sobre ti es igual al peso del agua desplazada por ti.
Este principio se puede experimentar facilmente mediante el método científico.
Cómo determinar la densidad flotante
Para saber si un objeto flota o no, se necesita conocer la densidad del objeto y la densidad del fluido que lo rodea. Según el principio de Arquímedes, si el objeto es más ligero que el fluido (tiene menor densidad), flotará en él; si es más pesado (tiene mayor densidad), el objeto se hunde por qué el empuje no puede contrarrestar la fuerza de la gravedad.
Experimento del principio de Arquímedes
Él Rey Hierón II de Siracusa le solicitó al orfebre que creara una corona de oro pero tenía la sospecha que el material del interior no era verdaderamente oro. Para corroborarlo. pidió a Arquímedes que pensara un método manual para probar si se trataba completamente de oro o incluía algún material más barato.
Arquímedes intentó resolver este problema, pero inicialmente fue incapaz de encontrar la manera. Según cuenta la leyenda, la solución llegó a él mientras se bañaba. Cuando estaba sentado en el baño, notó cómo subía el nivel del agua y esto lo inspiró de repente.
Este experimento le permitió conocer el volumen de de la corona midiendo el volumen del agua desplazada. Al dividir el volumen desplazado por el peso de la corona obtuvo la densidad de la corona.
Al observar que la densidad obtenida no coincidía con la densidad del oro, confirmó que las sospechas del rey eran ciertas.
Usos y aplicaciones del principio
El principio de Arquímedes se puede utilizar en una infinidad de aplicaciones; entre ellas destacamos las siguientes:
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Determinar el volumen de objetos irregulares, como los que se encuentran en la naturaleza.
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Calcular la densidad de los objetos.
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Calcular las fuerzas necesarias para levantar objetos pesados, especialmente en los campos de la arquitectura y la ingeniería.
Ejemplos prácticos del principio de Arquímedes
La ley de Arquímedes es uno de los principios físicos más importantes y está presente en la vida diaria de muchas maneras. Aquí hay algunos ejemplos prácticos del principio de Arquímedes:
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Al nadar, el cuerpo humano recibe un empuje hacia arriba igual al peso del agua que desplaza.
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Un buque en el mar flota debido a que el volumen del agua que desplaza es igual al del buque. El peso del buque es contrarrestado por el empuje hacia arriba del agua.
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Los globos aerostáticos se sostienen en el aire por el principio de Arquímedes. En este caso, el fluido es el aire. El globo está sumergido completamente en el aire cuya densidad es mayor que la del aire caliente. Por lo tanto, el globo aerostático experimenta un empuje vertical correspondiente al peso del aire desalojado que es superior que el peso del aire caliente junto con el peso de todo el globo.
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Los icebergs flotan porqué el agua congelada tiene una densidad ligeramente inferior al agua líquida. Según el principio de Arquímedes, el peso total del iceberg es igual al peso del agua que ocuparía la parte sumergida del iceberg.