L2flotacion.docx

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERIA METALURGICA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES LABORATORIO DE FENÓMENOS DE TRANSPORTE

Experiencia Nº2 Tensión superficial y flotación.

Grupo: E4

Subgrupo: 3

María Catalina García Cañas María paula Galán García Aylin Vanesa Martínez Galindo

2142008. 2141993. 2143094

Profesor: Jhon Freddy Palacios

18 de Noviembre del 2016 Bucaramanga

INTRODUCCIÓN

La tensión superficial es una de las propiedades más características de los fluidos, principalmente de los líquidos que siempre presentan una interfaz, una superficie que los delimita del exterior, esta propiedad es de suma importancia porque esa interfaz al estar allí por las fuerzas de cohesión molecular es la que explica ciertos fenómenos como la formación de gotas, también es necesario entenderla porque gracias a la tensión superficial se dan bases para entender la capilaridad que es sin lugar a dudas una característica muy importante en el manejo de fluidos.

Otra propiedad que tiene igual importancia a la tensión superficial es la flotación, el entender cómo se comportan objetos sólidos cuando interactúan con la interfaz liquida, ya sea que logren flotar al ser menos densos que el líquido o a sumergirse.

OBJETIVOS

-Comprobar mediante experimentación los principios que rigen la tensión superficial y la flotación. -Analizar como la tensión superficial se hace presente en los fluidos, especialmente en los líquidos. -Comprobar la relación entre la tensión superficial y la capilaridad de un líquido. -Comprender como funciona el principio de Arquímedes en la flotación.

MARCO TEÓRICO Tensión superficial Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido, son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial. Las moléculas de la superficie no tienen otras iguales sobre todos sus lados, y por lo tanto se cohesionan más fuertemente, con aquellas asociadas directamente en la superficie. Esto forma una película de superficie, que hace mas difícil mover un objeto a través de la superficie, que cuando está completamente sumergido.

La tensión superficial, se mide normalmente en dinas/cm, la fuerza que se requiere (en dinas) para romper una película de 1 cm. de longitud.

Fuerza debida a la tensión superficial

Las fuerzas atractivas entre las moléculas del líquido, causantes de la tensión superficial, se llaman fuerzas de cohesión. Dependen sólo de la naturaleza del líquido. Con ellas compiten las fuerzas de adhesión, entre el líquido y el sólido con el que está en contacto, dependiendo de la naturaleza de ambos. Su relación determina la forma de la superficie libre del

líquido en las proximidades de una pared sólida. Ángulo de contacto Ángulo θ que forma la superficie sólida con la tangente a la superficie líquida en el punto de contacto (pasando por el líquido).

Capilaridad Dependiendo del ángulo de contacto, puede ocurrir que el líquido ascienda (θ< 90°) o descienda(θ> 90°) por un tubo estrecho(capilar) una cierta altura h, lo que se denomina capilaridad o acción capilar. En efecto: en el equilibrio, el peso de la columna de líquido se compensará con la componente vertical de las fuerzas de cohesión Fγcosθ (debida a la tensión superficial γ). Las fuerzas de adhesión

no intervienen (son perpendiculares a la superficie del tubo).

Fuerza de flotación Si tenemos un cuerpo flotando en la superficie de un líquido o sumergido totalmente en el interior del mismo, la fuerza resultante que mantiene a dicho cuerpo en su posición se denomina “Fuerza de Flotación”.

Cuando un cuerpo está totalmente sumergido en un líquido en reposo, el líquido ejerce presión hidrostática en cada una de las partes del cuerpo en contacto con el fluido. Por la ecuación básica de la Estática de Fluidos, en el mismo nivel h las fuerzas ejercidas sobre el cuerpo debidas a la presión se compensan, pues son iguales en magnitud. Sin embargo, la presión que ejerce el fluido sobre la parte inferior del cuerpo será mayor que la ejercida sobre su parte superior, por lo que las fuerzas correspondientes son diferentes en magnitud y no se compensan. La fuerza resultante debida a la diferencia de presiones hidrostáticas entre el nivel h2 y el nivel h1 es la fuerza de flotación. Es por ello que esta fuerza siempre actúa en dirección vertical y con sentido hacia arriba. Si el cuerpo en flotación no se mueve, la fuerza de flotación estará equilibrando el peso del cuerpo. Vamos a suponer que tenemos un líquido de densidad 𝜌 e inmerso dentro de él tenemos un sólido de volumen V cuya frontera es la línea ABCDA. Al estar inmerso, el cuerpo sólido ha desplazado una cantidad de líquido con el mismo volumen Vd=V. Ahora vamos a sustituir el sólido por el líquido, como se ve en la figura. El líquido que se encuentra debajo del tramo ABC soporta el peso del fluido contenido en la columna ABCEFA (rayado en rojo). De la misma manera, el líquido que se encuentra debajo de la línea ADC soporta el peso del fluido contenido en la columna ADCEFA (rayado en amarillo). Como la porción de fluido se encuentra en equilibrio, se cumple la Primera Ley de Newton, por tanto, la fuerza de flotación que mantiene a la porción de fluido en su lugar es una fuerza cuya dirección es vertical, su sentido es opuesto a la gravedad y que es la resultante de la resta de ambos pesos:

Como vemos, la fuerza de flotación corresponde al peso del volumen V de líquido encerrado dentro de la línea ABCDA. Lo anterior lo podemos resumir con el “Principio de Arquímedes”, el cual dice que todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido estará sostenido por una fuerza cuya magnitud es igual a la magnitud del peso del fluido desplazado por el cuerpo.

Densímetro Es un instrumento de medición que sirve para determinar la densidad relativa de los líquidos sin necesidad de calcular antes su masa y volumen. Normalmente este consiste en un cilindro hueco con un bulbo pesado en su extremo para que pueda flotar en posición vertical. (Bulbo = mercurio o plomo).

Aplicaciones industriales La tensión superficial se utiliza para crear formas de los materiales, como por ejemplo el plomo que se transforma fácilmente en granular redondo debido a su alta tensión superficial Se usa en los líquidos penetrantes, los cuales mediante el principio de capilaridad pueden detectar grietas en los materiales sin tener que destruir estos El principio de flotación se usa en el diseño de los barcos para que tengan menor densidad que la del agua de mar.

Inicio

Tensión superficial. Agregar agua al tubo de ensayos para equilibrar el sistema

No Verificar que en el portapesas esté en su posición vertical

Equilibrarlo en la posición vertical

Si Llenar el recipiente con el líquido a estudiar, a una altura de 5cm

Reiniciar la báscula electrónica con el nuevo recipiente sobre esta.

Introducir el porta-objetos en el líquido

Agregar gradualmente agua en el tubo de ensayo.

Esperar a que el portapesas se despegue del agua.

Si Realizar los cálculos

Analizar los resultados.

No

Fin.

Flotación Inicio

Nivelar la báscula

Ubicar la pesa a sumergir a un extremo y el contra peso de cobre sobre e la báscula

No Equilibrarlo en la posición vertical

Equilibrarla balanza.

Si Ubicar el vaso de precipitado hasta abajo del elemento a sumergir

Llenar el vaso de precipitado hasta sumergirlo sin rebosar. Registrar los datos que entrega la báscula

Repetir el procedimiento.

No Realizar los cálculos

Analizar los resultados.

Fin.

Si

ANALISIS DE RESULTADOS

Parte 1 tensión superficial 1) ¿Cómo varía la lectura de la balanza al introducir el portaobjetos en el líquido? La balanza empieza a medir valores negativos, esto ocurre porque entre la lámina y el líquido hay fuerzas de adhesión, de esta forma es la lámina la que empieza a soportar esa masa que supone esa porción de líquido que se adhiere y si se sube la lámina arrastra esa masa. 2) ¿Cómo varía la lectura de la balanza al agregar gradualmente agua al tubo de ensayo de contrapeso? Explique el porqué de este comportamiento. Empieza a perder más masa y sigue siendo negativa la medida porque como se mencionó en el numeral anterior se crean unas fuerzas de adhesión entre el líquido y el sólido, y cuando se agrega agua en el gotero se sube poco a poco la lámina haciendo que esas fuerzas de adhesión se lleven parte del líquido. 3) ¿Qué cree que ocurriría si el porta-objetos utilizado se ubicara de tal manera que la cara en contacto con el líquido fuera la más grande? El perímetro mojado aumentaría, por lo que se dificultaría la medición de la tensión superficial, ya que el área de contacto entre el líquido y el sólido va a incrementarse, como consecuencia de esto las fuerzas de adhesión entre las superficies será mayor que las fuerzas de cohesión de las moléculas del fluido, por lo que haría más complicado extraer la lámina. 4) ¿Qué consecuencia tendría para el experimento el aumentar la temperatura del líquido utilizado en el recipiente? Disminuiría la tensión superficial del fluido, debido a que este depende directamente de las fuerzas de cohesión, y al aumentar la temperatura, aumentara la energía cinética (vibraciones) de las moléculas en el líquido lo que disminuirá las fuerzas de cohesión entre sus moléculas ya que estaría

cada vez más cerca de evaporarse, en otras palabras, un aumento de temperatura desordena la distribución de las fuerzas de cohesión en el líquido.

5) Identifique algún fenómeno relacionado a la propiedad de tensión superficial y diga claramente de que se trata. El fenómeno relacionado a la tensión superficial en cuanto a la aplicación en la ingeniería metalúrgica es el de los líquidos penetrantes (ensayos no destructivos), ya que esta aplicación involucra la capilaridad. La función de los líquidos penetrantes consiste en mostrar grietas que son diminutas y casi imperceptibles por inspección visual mediante el ascenso capilar dentro de estos defectos. El ascenso capilar se da gracias a las fuerzas de adhesión (como se puede ver en el marco teórico con el ángulo de contacto) que son muchos mayores que las fuerzas de cohesión produciendo que la tinta ascienda unos centímetros y en el caso de una grieta pequeña el líquido se desborde ayudando a la identificación de la grieta o falla en la pieza que se esté realizando el ensayo. 6) Compare los resultados de tensión calculada con la teórica y compárela también con los otros fluidos implicados. Los resultados obtenidos experimentalmente con respecto a los teóricos presentan errores muy grandes (agua 47.7%, glicerina 20.76% y aceite de oliva 32.5%), ya que, en el momento de hacer el experimento hay factores que afectan considerablemente la medición los cuales son los siguientes:  La lámina no se encontraba totalmente vertical ocasionando que las fuerzas de adhesión no fueran uniformes a través de toda la lámina.  Un error visual, ya que en el momento de registrar el valor de la tensión superficial que marca la báscula no se observa con exactitud pues sucede muy rápido y a pesar de la sugerencia de grabar ese instante se hace difícil tener exactitud en esa medición. En cuanto a comparar las tensiones superficiales de los líquidos (agua, glicerina y aceite de oliva) se obtiene el resultado esperado y es que todas dieron distinto esto debido a que cada liquido al tener propiedades intrínsecas, composiciones químicas y enlaces diferentes van a presentar una tensión superficial que variara donde el principal diferenciador para que la tensión de distinto es el tipo de enlace.

Parte 2 flotación 1) Enuncie y explique con sus palabras el principio de Arquímedes Para que un objeto flote en un líquido este debe tener una densidad menor que el fluido, en términos de fuerzas seria que la fuerza de empuje debe ser mayor que el peso del objeto. 2) ¿Qué pasaría con la fuerza de flotación si se usa un cilindro de Fundición de volumen igual al de Aluminio? La fuerza sería diferente, porque la fuerza de flotación a pesar de depender del volumen sumergido (que en este caso es igual) también tiene como variable la densidad (que ya es una propiedad intrínseca de cada material), por esta razón la fuerza sería distinta para los dos cilindros. 3) Si se cambia el cilindro de Prolón por un cubo del mismo material con igual volumen, ¿qué sucede con la fuerza de flotación? En este caso se podría afirmar que la fuerza de flotación sería igual porque ambas variables en la ecuación (densidad y volumen sumergido) son iguales porque se habla del mismo material y a pesar de que cambian las formas geométricas no cambia el volumen. 4) ¿Qué ocurre con la fuerza de flotación si el cuerpo se encuentra totalmente sumergido? Si el cuerpo se encuentra completamente sumergido se obtendría la fuerza de flotación máxima ya que esta depende del volumen sumergido y se estaría tomando todo el volumen del sólido. 5) ¿Qué ocurre con la fuerza de flotación apenas el cuerpo tiene contacto con el agua? Sería prácticamente despreciable porque la fuerza depende del volumen sumergido y en ese instante poco o nada del solido ha podido sumergirse en el líquido.

6) ¿Cómo se comportaría la fuerza de empuje si el líquido se reemplazara por un aceite lubricante? La fuerza de empuje sería menor porque el aceite lubricante al ser menos denso va a oponer menos resistencia a que el sólido pueda sumergirse en este, facilitando precisamente que el objeto se pueda hundir completamente, aumentaría la fuera de flotación.

CONCLUSIONES -Si la densidad del cuerpo sumergido es mayor que la del fluido, éste se acelerará hacia abajo y se hundirá, si por el contrario el cuerpo tiene menor densidad este flotara. -Es posible calcular el volumen de cuerpos irregulares sin necesidad de fundirlos para hacer de estos regulares. -Se comprobó el principio de Arquímedes, donde el cuerpo sumergido si desplaza un volumen de agua igual al volumen del objeto, ya que todos los cuerpos al estar sumergidos en un fluido experimentan fuerzas de empuje, ya que los fluidos ejercen cierta resistencia para mantener en equilibrio al sistema.

BIBLIOGRAFÍA -SEARS, Francis W; ZEMANSKY, Marck W;YOUNG; Hugh D; FREEDMAN, Roger. Física Universitaria Volumen 1. Editorial Pearson Educación: México. 2004. Undécima Edición.