Sumérgete en los fluidos: junio 2011

Introducción

Aunque la palabra fluido te suene un poco rara, continuamente estás viendo, tocando e interaccionando con los fluidos, ya que los dos más comunes son el agua y el aire. En esta unidad vamos a estudiar como se comportan los líquidos y gases en general y aprenderemos a explicar cosas tan interesantes como la presión que sufre un submarinista que está sumergido, el funcionamiento de los gatos con los que se levantan los coches o por qué algunos cuerpos flotan y otros se hunden.

Tarea

Al finalizar esta BlogQuest serás capaz de explicar por qué flotan algunos cuerpos y otros se hunden. Para ello, utilizaremos el principio de Arquímedes, pero para poder entenderlo, antes tendremos que introducir otros conceptos como la compresibilidad, la presión, el principio fundamental de la estática de fluidos y el principio de Pascal. Las relaciones entre estos conceptos aparecen en el siguiente mapa conceptual:

Aunque te parezcan nombres un poco raros y desconocidos, los iremos descubriendo mediante actividades sencillas que aparecen descritas en el apartado del proceso. Finalmente, tendrás que entregarme un informe con los datos obtenidos y las experiencias observadas en cada una de las actividades.

Nota: No olvides consultar el apartado de recursos, en el que encontrarás documentos y direcciones web que te ayudarán a completar el proceso. De todas formas, te iré recordando cuáles son los más útiles para realizar cada actividad.

Proceso

El proceso de la BlogQuest se compone de 5 actividades que irás descubriendo en las siguientes entradas. En cada una de ellas tendrás que responder algunas preguntas y realizar sencillas experiencias. Los contenidos necesarios para ello estarán dentro de la propia entrada y se te recomendarán también algunos de los recursos propuestos para facilitarte la tarea o profundizar en ella si lo deseas.

Al finalizarlas todas, tendrás que rellenar un informe en el que se recogen todas las respuestas y que he añadido en el apartado de la evaluación. Te recomiendo que lo imprimas desde el principio y que vayas rellenándolo a medida que avances por las actividades.

Con estas pequeñas indicaciones, ya estás en condiciones de afrontar la primera actividad, ¡así que adelante!

Actividad 1: La compresibilidad

Se denomina fluido a toda sustancia que puede fluir, es decir, que puede pasar por orificios pequeños. No tienen forma definida, sino que adoptan la del recipiente que los contiene. Por lo tanto, los líquidos y gases son fluidos.

Hasta aquí no creo que haya nada nuevo para ti. Sin embargo, ¿qué diferencia a los gases de los líquidos? Hay varias propiedades que lo hacen, pero vamos a estudiar una de ellas, la compresibilidad. Para entender su significado, debes realizar la siguiente experiencia sencilla:

1º) Consigue dos jeringuillas de plástico.

2º) Rellena una con agua y la otra déjala con aire en su interior.

3º) Tapa el agujero de las jeringuillas y presiona el émbolo con fuerza.

4º) ¿En cuál de las dos consigues comprimir más la sustancia que hay en su interior?

De acuerdo con lo observado, completa la siguiente frase:

Los _________ son poco compresibles, mientras que los ______ son muy compresibles.

Actividad 2: La presión

Seguramente este sea otro concepto que conozcas bien. Por si acaso, te recuerdo que la presión es el efecto resultante de aplicar una fuerza sobre una superficie y sigue la expresión:

Por lo tanto, es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la superficie. Su unidad en el Sistema Internacional es el Pascal (P), aunque también suelen utilizarse otras como la atmósfera (atm), el bar (bar) y los milímetros de mercurio (mm Hg). Para practicar con la fórmula, debes resolver las siguientes cuestiones:

o Se aplica una fuerza de 50 N a una superficie de 2 dm² y otra de 300 N sobre una superficie de 12 cm². ¿Cuál de las dos presiones es mayor?

o Las dimensiones de un ladrillo son 10 cm, 15 cm y 25 cm. Si su masa es de 2 Kg, calcula la presión que ejercerá al apoyarlo sobre cada una de sus caras y expresa la solución en pascales, atmósferas, bares y milímetros de mercurio.

Ahora que ya conoces mejor este concepto, ¿serías capar de responder a la siguiente pregunta?:

o Debes atravesar un precipicio y el puente por el que debes hacerlo está a punto de derrumbarse. ¿Cuál sería la mejor forma de pasar por él para evitar que se cayera? Justifica tu respuesta.

Nota: Para realizar los cambios de unidades puedes consultar las siguientes direcciones de los recursos propuestos:

o Tabla con unidades de presión:

http://www.reitec.es/web/descargas/tabla2.pdf

o Convertidor de unidades de presión:

http://www.lenntech.es/calculadoras/presion/presion.htm

Actividad 3: Principio fundamental de la estática de fluidos

Una vez repasados los conceptos anteriores, vamos a utilizarlos para definir algunos principios importantes en el estudio de los fluidos. El primero es el principio fundamental de la estática de fluidos, que dice lo siguiente:

Por lo tanto, un cuerpo sumergido a mayor profundidad, va a sufrir una profundidad mayor. De esta forma se puede explicar lo que les ocurre a los submarinistas cuando se sumergen en el océano a altas profundidades.

Para practicar con el principio, intenta resolver las cuestiones planteadas en el siguiente test:

Actividad 4: El principio de Pascal

Otro principio importante en el estudio de los fluidos es el principio de Pascal, que afirma lo siguiente:

Principio de Pascal:

La presión ejercida en un punto de un fluido se transmite con la misma intensidad en todas las direcciones.

Para comprobar que es cierto, basta con inflar un globo y presionarlo en un punto cualquiera. Observarás que se produce una deformación homogénea por toda su superficie.

Aunque parezca una idea sencilla, tiene numerosas aplicaciones, algunas de ellas muy importantes:

Vasos comunicantes: Son aquellos recipientes conectados entre sí que contienen un mismo líquido. Debido al principio de Pascal, el nivel de líquido es el mismo en todos ellos, lo que se aprovecha para abastecer agua en poblaciones o en pozos artesanos.

Sistemas hidráulicos: Aprovechan el principio de Pascal para obtener una fuerza grande a partir de una más pequeña. Basta con disponer de un sistema lleno de un fluido y con dos superficies sobre las que aplicar las fuerzas, una de ellas mucho más grande que la otra.

De acuerdo con el principio de Pascal, al ejercer un aumento de presión en una de las superficies, debe transmitirse con la misma intensidad por todo el fluido. Igualando las presiones en las dos superficies se obtiene la siguiente expresión:

Para practicar con estos conceptos, visita la siguiente dirección de los recursos propuestos para responder a las cuestiones que se plantean después:

Aplicación práctica principio de Pascal

¿Cómo afecta el variar la altura del émbolo pequeño?

¿Y la del émbolo grande?

¿Cuál es el peso máximo que se puede levantar en el émbolo grande con un peso de 100 N en el émbolo pequeño?

Investiga y anota tres aparatos o máquinas que utilizan sistemas hidráulicos.

Actividad 5: El principio de Arquimedes

Espero que hayas conseguido realizar el resto de actividades y que llegues con energía a esta último. Por si acaso, te propongo que veas los siguientes vídeos en los que se cuenta el origen de su principio y algunos descubrimientos más de Arquímedes:

Origen del principio de Arquímedes:

Otros descubrimientos:

Ahora que ya sabes cómo surgió su famoso principio, te doy una definición del mismo que te servirá para realizar la última práctica:

Principio de Arquímedes:

Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desplaza.

Por lo tanto, para estudiar la flotabilidad de un cuerpo sumergido en un fluido habrá que comparar el empuje que sufra con su peso, ya que son las dos únicas fuerzas que actúan sobre él. Se podrán dar tres situaciones posibles:

De acuerdo con todo esto, ya estás en disposición de realizar la última actividad, en la que tendrás que demostrar que sabes explicar porque algunos cuerpos flotan y otros se hunden.

1º) Busca dos cuerpos, uno que flote y otro que se hunda. El único requisito es que tengan formas sencillas, como una esfera, un cubo, un cilindro, etc.

2º) Con la ayuda de una regla o un calibre, toma las medidas necesarias para calcular el volumen de los dos objetos.

3º) A continuación, mide sus masas con una balanza y calcula su peso.

4º) Comparando las dos magnitudes, deberás ser capaz de justificar por qué uno flotaba y el otro se hundía. Compruébalo nuevamente en un recipiente con agua.

5º) Probablemente, habrás observado que las aceleraciones de subida y bajada de los dos son diferentes. ¿Podrías calcular esas aceleraciones?

6º) Este último apartado es el más complicado y contará para subir nota a aquellos que lo consigan solucionar. ¿Qué volumen del objeto flotante se mantiene sumergido cuando se estabiliza en la superficie del agua?

Nota: Entre los recursos propuestos, se encuentran dos vídeos en los que puedes observar unas experiencias de este estilo:

Vídeo mandarina flotante:

Vídeo dado que se hunde:

Como podrás observar, ¡es un experimento muy sencillo y que puedes hacer sin problemas en tu casa! Si quieres seguir practicando con el Principio de Arquímedes, puedes utilizar el siguiente recurso:

Aplicación interactiva para practicar con el principio de Arquímedes:

http://conteni2.educarex.es/mats/14362/contenido/

Recursos

Convertidor de unidades de presión:

http://www.lenntech.es/calculadoras/presion/presion.htm

Tablas de unidades de presión y densidades de líquidos y gases:

http://www.reitec.es/web/descargas/tabla2.pdf

Test sobre el principio fundamental de la estática de fluidos:

http://www.creartest.com/hacertest-56833.php?test=56833

Aplicación interactiva para practicar con el principio fundamental de la estática de fluidos:

http://conteni2.educarex.es/mats/14361/contenido/

Aplicación interactiva para practicar con el principio de Pascal:

http://conteni2.educarex.es/mats/14363/contenido/

Vídeo sobre el origen del principio de Arquímedes:

https://docs.google.com/leaf?id=0BwyctN0_QJA6Y2I3OWZiYWMtMzkyNS00OTY1LWIxNjMtYWMwZTJhOTU2ZDBm&sort=name&layout=list&num=50

Vídeo con otros descubrimientos de Arquímedes:

https://docs.google.com/leaf?id=0BwyctN0_QJA6NmExNTg2NDUtMjU0Yy00NmEzLWJiNDctNzViZThmMDA0Yjhi&sort=name&layout=list&num=50

Vídeo mandarina flotante:

http://www.youtube.com/watch?v=pzUC-mNlfmI

Vídeo dado que se hunde:

http://www.youtube.com/watch?v=AiLVkI9WcEA&feature=related

Aplicación interactiva para practicar con el principio de Arquímedes:

http://conteni2.educarex.es/mats/14362/contenido/

En el siguiente archivo comprimido puedes encontrar algunos de los recursos anteriores junto a otros como el mapa conceptual, problemas adicionales, modelos de exámenes, etc.

https://docs.google.com/leaf?id=0BwyctN0_QJA6YjdhNjJlYjgtNDcyZi00YTA3LWI5NjctNWJmNDhmNWNlMDE2&sort=name&layout=list&num=50

Evaluación

Como ya te había adelantado en la presentación de la tarea, al finalizar el BlogQuest debes entregar el siguiente informe, en el que aparecen las preguntas de todas las actividades:

Informe BlogQuest

Deberás realizarlas todas y, en función de las respuestas que des, tendrás una calificación que se obtendrá mediante la siguiente rúbrica:

Rúbrica evaluación

Conclusión

Al finalizar esta BlogQuest, deberéis ser capaces de explicar los fenómenos en fluidos más importantes de la vida cotidiana:

Por qué algunos cuerpos flotan y otros se hunden.

Cómo funcionan los aparatos hidráulicos.

Cómo calcular la presión que sufrimos al sumergirnos en el agua y cómo aumenta la misma con la profundidad.

Definición de presión, cálculo de la misma y unidades.

Diferenciar las propiedades de gases y líquidos.

A su vez, en la realización de las prácticas de cada actividad os habréis familiarizado con el método científico y habréis observado la parte práctica de los conceptos de la unidad didáctica.

Además, habréis puesto en práctica muchas de sus habilidades en TIC, como la de búsqueda de información a través de Internet, uso de herramientas de comunicación (blog), visionado de vídeos, descompresión de archivos, etc.

Espero que te haya parecido una actividad diferente y divertida y, sobre todo, espero que hayas aprendido mucho acerca de los fluidos. ¡No olvides dejar tu comentario dando tu opinión sobre las actividades propuestas!

miércoles, 8 de junio de 2011