Alguna vez nos hemos preguntado ¿por qué algunos cuerpos flotan y otros no? ¿Por qué algunos cuerpos se hunden totalmente? ¿Por qué flotan los barcos? ¿Por qué parece que pesamos menos en la piscina? ¿Cómo funcionan los submarinos para hundirse o para flotar?
La flotabilidad es la capacidad de un cuerpo para sostenerse dentro de un fluido, y sabemos que la presión aumenta con la profundidad en un fluido. Esto significa que existe una fuerza ascendente, o fuerza de flotación, en la parte inferior del objeto, en un fluido que es mayor que la fuerza descendente, o peso del objeto. Veamos el siguiente video sobre Arquímedes.
Pero, ¿cuánto valen todas estas fuerzas? Todas estas respuestas las vamos a encontrar en el principio de Arquímedes.
¡Vamos a investigarlo!
Tarea: flotabilidad
Duración:
3 sesiones
Agrupamiento:
Individual y en grupo
La flotabilidad de un cuerpo dentro de un fluido estará determinada por las diferentes fuerzas que actúen sobre el mismo y el sentido de las mismas. La flotabilidad es positiva cuando el cuerpo tienda a ascender dentro del fluido, es negativa cuando el cuerpo tiende a descender dentro del fluido, y es neutra cuando se mantiene en suspensión dentro del fluido.
La flotabilidad viene establecida por el principio de Arquímedes: Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido desalojado.
En esta tarea vamos a investigar el principio de Arquímedes experimentalmente mediante una simulación lo haremos en grupo. Emplearemos una simulación de phet de colorado, previamente para introducirnos en el tema, emplearemos una técnica cooperativa denominada "el juego de las palabras", en grupo. Finalmente realizaremos un informe de las simulaciones realizadas, individualmente.
¡Comencemos!
La pizarra de flotabilidad
Para introducirnos en el tema vamos a activar ideas previas y vamos a utilizar una técnica cooperativa "el juego de las palabras, en esta actividad seguiremos los siguientes pasos:
Nuestro profesor o profesora hace los grupos
En la pizarra aparecen escritas diferentes palabras relacionadas con la flotabilidad
Cada grupo elige tres palabras para hacer una frase
Escribimos las frases en postit
Compartimos en el grupo de clase las frases realizadas
Pegamos los postit en las paredes de la clase
Elegimos la mejor frase y la escribimos en la pizarra
Vamos a simular con la Flotabilidad de phet de colorado. Realizamos la actividad en grupo. Vamos a encontrar en esta simulación, cinco ventanas o modalidades
En la ventana "comparar" nos vamos a familiarizar con la simulación para ver sus elementos y su funcionamiento:
Entramos en la Ventana comparar:
En esta ventana nos vamos a encontrar dos bloques para comparar cuando tienen la misma masa, cuando tienen el mismo volumen y cuando tienen la misma densidad (recordamos la simulación que hemos realizado en comparar de ¡Que presión!).
Interactuamos aumentando o disminuyendo masa, y cambiando la densidad del fluido
Además podemos comprobar la fuerza peso en el exterior y la fuerza peso aparente en el interior del fluido
Disponemos de las densidades del bloque A, del bloque B y del fluido empleado
Disponemos de los valores del % sumergido del bloque A y del bloque B
Podemos ver los valores de las fuerzas que actúan y sus representaciones vectoriales; gravedad, flotabilidad y contacto
Podemos aumentar o disminuir las representaciones vectoriales
Podemos conocer las masas de los bloques y líneas de profundidad
Disponemos diferentes fluidos: gasolina, aceite, agua, agua de mar, miel y mercurio
Cada grupo anota los valores correspondientes a los bloques A y B en los siguientes fluidos
Con los fluidos anteriores completamos la siguiente tabla anotando los valores de las magnitudes en los bloques A y B:
GRUPO:_____
Modalidad COMPARAR
Misma masa (Repetir para 3 masas distintas)
Mismo volumen (Repetir para 3 volúmenes distintos)
Misma densidad (Repetir para 3 densidades distintas)
Masa
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Empuje (flotabilidad)
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Peso en el aire
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Peso en el agua
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Densidad
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
% sumergido
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Bloque A:
Bloque B:
Comparamos resultados en el grupo de clase.
Obtenemos conclusiones, para ello tenemos en cuenta las siguientes preguntas: ¿Por qué se hunden los bloques? ¿Cómo influye la densidad del fluido y de los bloques para que se hundan? ¿Qué ocurre con la gravedad y la flotación cuando se hunden los bloques? ¿ Qué ocurre con el volumen desplazado de fluido?
Seguimos y ¡Comenzamos a explorar!
Simular explorando
Antes de entrar en la modalidad "explorar" vemos las formulas del empuje, peso y densidad
Mª Jesús Serna(Dominio público)
Entramos en la modalidad explorar y debemos calcular las densidades de dos fluidos A y B, además de decir cuales son los materiales R y S, mediante sus densidades. Para ello, investigamos por grupos. Cada grupo, para su investigación, va a utilizar unos materiales y unos fluidos determinados, para determinar las densidades de los materiales R y S y la densidad de los fluidos A y B.
Podemos utilizar como pistas para calcular las densidades de los fluidos la formula del empuje y, para saber que materiales son la fórmula de la densidad (recordar el cuerpo debe estar totalmente sumergido), para saber qué sustancias son podemos buscar las densidades en internet.
Veamos unos ejemplos para realizar estos cálculos:
Para calcular las densidades de los fluidos, en nuestro caso para el agua:
Empleamos ladrillo y agua. Miro el valor del empuje o flotabilidad y el volumen de agua desplazada:
E= 29,4N
V = 3 L
Aplico la formula:E = V · g · dl
29,4 N = 3 L· 9,8 m/s2· dl
Despejamos: dl = 1 kg/L (densidad del agua, comparamos con las densidades de fluidos)
Para saber que material es, en nuestro caso para el ladrillo, debemos calcular la densidad del material o bloque.
Utilizamos el bloque ladrillo y agua:
Datos: m = 10 kg , V(volumen desplazado) = 5 L
Para calcular la masa conocido el peso, empleamos:
P = m · g
98 = m · 9,8 m = 10 kg
Aplico la formula: d = m/v
Una vez conocida la masa y el volumen desplazado, aplico la formula de la densidad
Calculamos las densidades de los fluidos A y B y de los materiales R y S, por grupos y con unas condiciones determinadas
GRUPO A
GRUPO B
GRUPO C
GRUPO D
GRUPO E
Condiciones para el calculo de ¿qué material es?
Empleamos los siguientes fluidos: Gasolina, miel, personalizado
Condiciones para el calculo de ¿qué material es?
Empleamos los siguientes fluidos: Aceite, agua de mar, personalizado
Condiciones para el calculo de ¿qué material es?
Empleamos los siguientes fluidos: Agua, mercurio, personalizado
Condiciones para el calculo de ¿qué material es?
Empleamos los siguientes fluidos: Agua, agua de mar, personalizado
Condiciones para el calculo de ¿qué material es?
Empleamos los siguientes fluidos: Agua, aceite, personalizado
¿Qué material es?
R
¿Qué material es?
R
¿Qué material es?
S
¿Qué material es?
S
¿Qué material es?
R
Condiciones para el calculo de ¿qué fluido es?
Empleamos los siguientes materiales: Unicel, ladrillo, personalizado
Condiciones para el calculo de ¿qué fluido es?
Empleamos los siguientes materiales: Madera, aluminio, personalizado
Condiciones para el calculo de ¿qué fluido es?
Empleamos los siguientes materiales: Hielo, ladrillo, personalizado
Condiciones para el calculo de ¿qué fluido es?
Empleamos los siguientes materiales: Hielo, ladrillo, personalizado
Condiciones para el calculo de ¿qué fluido es?
Empleamos los siguientes materiales: Madera, hielo, personalizado
¿Cuál es la densidad del fluido?
A
¿Cuál es la densidad del fluido?
B
¿Cuál es la densidad del fluido?
A
¿Cuál es la densidad del fluido?
B
¿Cuál es la densidad del fluido?
A
Cuando terminemos:
Contrastamos resultados
Indicamos que procedimiento hemos realizado para calcular las densidades de los fluidos y de los materiales
Compartimos dificultades obtenidas
Simulamos en el laboratorio
Vamos a entrar en el laboratorio, primeramente vamos a calcular la densidad de los fluidos A y B y que materiales son T y U en diferentes lugares, es decir con diferentes valores de gravedad. Después, calcularemos la gravedad del planeta X. Trabajamos en grupo.
Entramos en el laboratorio:
GRUPO A
GRUPO B
GRUPO C
GRUPO D
GRUPO E
Valor de g = 2 m/s2
Valor de g = 5 m/s2
Valor de g = 11 m/s2
Valor de g = 18 m/s2
Valor de g = 20 m/s2
¿Cuál es la densidad del fluido?
A y B
¿Cuál es la densidad del fluido?
A y B
¿Cuál es la densidad del fluido?
A y B
¿Cuál es la densidad del fluido?
A y B
¿Cuál es la densidad del fluido?
A y B
¿Qué es este material?
Material T y U
¿Qué es este material?
Material T y U
¿Qué es este material?
Material T y U
¿Qué es este material?
Material T y U
¿Qué es este material?
Material T y U
Para averiguar el valor de la gravedad del planeta X, utilizamos de nuevo la formula del empuje
Vamos a averiguar cuál es el valor de la gravedad del planeta X, con las siguientes condiciones:
En esta simulación vamos a encontrar diferentes fluidos, y diferentes materiales con diferentes formas. Primeramente vamos a variar las magnitudes de las formas (altura, ancho y profundidad, radio, peso) y vemos y anotamos lo que sucede. Cada grupo elije dos materiales diferentes y anotamos ¿Qué pasa?
GRUPO:
Materiales elegidos:
¿Qué sucede con la masa?
¿Qué sucede con la fuerza gravedad?
¿Qué sucede con la flotabilidad?
¿Qué sucede con el volumen del fluido?
¿Qué sucede con el volumen del objeto?
¿Qué sucede con % sumergido?
¿Qué sucede con la densidad del objeto?
¿Qué sucede con el peso en el fluido?
Indica el valor del peso en el aire del objeto y su gravedad
Una vez que hemos completado la tabla anterior, calculamos las densidades de los fluidos desconocidos, C y D.
Cada grupo anota las condiciones de sus cálculos, de la siguiente forma:
En esta simulación nos encontramos dos objetos, una botella que contienes materiales dentro que podemos cambiar y, una barca que se le pueden añadir materiales diferentes.
Con la botella
Ponemos en personalizado la densidad del fluido, y el material interior. Aumentamos la densidad del fluido y mantenemos constante el volumen del material interior, anotamos ¿Qué pasa? ¿Aumentan? o ¿Disminuyen los siguientes parámetros?
Ponemos en personalizado la densidad del fluido, y el material interior. Aumentamos o disminuimos el volumen del material interior, anotamos ¿Qué pasa? ¿Aumentan? o ¿Disminuyen los siguientes parámetros?
Volumen de fluido desplazado
Masa en el interior
Masa del sistema
Densidad del objeto
Densidad del aire
Densidad del sistema
% sumergido
Valor de la gravedad
Valor de la flotabilidad o empuje
Conclusión:
¿Qué sucede al aumentar la densidad del fluido? ¿Qué parámetros aumentan o disminuyen?
¿Qué sucede al variar el volumen del material interior? ¿Qué parámetros varían?
Estamos de acuerdo con los resultados obtenidos?
Experimentamos con la barca
Primeramente experimentamos con la barca sola sin bloques. Ponemos la densidad del fluido en personalizado, y empezamos a aumentar la densidad del fluido desde 0,5 kg/L. Anotamos el aumento o disminución de los siguientes parámetros:
¿Cómo varía el empuje y la gravedad?
¿Cómo varía el volumen de fluido desplazado?
¿Cómo varia el % sumergido de la tabla?
Seguidamente, variamos el volumen del barco, y anotamos el aumento o disminución de los siguientes parámetros:
¿Cómo varían flotabilidad y gravedad?
¿Cómo varía la masa de la barca?
¿Cómo varía el % sumergido del bate?
¿Cómo varia la densidad del casco del barco?
Ahora, experimentamos con la barca y vamos añadiendo bloques. Empezamos utilizando el tamaño de barca de mayor volumen. Cada grupo va a experimentar con los siguientes materiales
GRUPO A
GRUPO B
GRUPO C
GRUPO D
GRUPO E
Unicel
Platino
Pirita
Oro
Madera
Acero
Acero
Hielo
Personalizado
PVC
Plata
Madera
Tantalio
Ladrillo
Plata
Contestamos las siguientes cuestiones:
¿Con que material se hunde el barco?
¿Qué debemos hacer para que vuelva a flotar?
¿Al modificar la masa o el volumen del bloque varia su densidad?
Si disminuimos el tamaño del barco ¿Qué sucede?
Para que un cuerpo flote ¿Qué magnitudes son fundamentales?
Determinamos la densidad del material X (pista, para calcular la masa tenemos en cuenta el peso del bloque en el aire o su peso debido a la gravedad).
Recordamos guardar en el porfolio las actividades realizadas
Informe
Realizamos un informe individual de las actividades realizadas, para ello, tenemos en cuenta los siguientes puntos:
Actividades simuladas
Objetivos de cada actividad de simulación
Datos obtenidos en cada actividad de simulación
Cuestiones planteadas en cada actividad de simulación
Conclusiones obtenidas en cada actividad de simulación
Conclusión final
Valoración del trabajo en grupo
Selecciona: "¿Flotando o hundiéndose?"
Selecciona las respuestas correctas sobre flotabilidad y pulsa sobre el botón "responder"
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Evaluamos y reflexionamos
Dedicamos unos minutos para repasar lo aprendido hasta ahora y hacer una reflexión personal sobre nuestro aprendizaje. Algunas cuestiones que nos podemos preguntar pueden ser: