Experiencia
con el bariscopio o balanza de Arquímedes
Objetivo
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Visualizar el efecto de la densidad del aire.
- Realizar algunas experiencias sencillas con la bomba de vacío.
Introducción
La
tierra atrae a los cuerpos pero no todos caen de la misma forma debido
al rozamiento con el aire. Vamos a observar en esta experiencia
el efecto que realiza el aire sobre los cuerpos que caen y como al eliminar
este los cuerpos caen con la misma velocidad.
| Materiales
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Realización
práctica
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Precauciones
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Esta experiencia no necesita precauciones especiales por lo sencillo de su realización.
- Como siempre que se maneje una bomba de vacío hay que recordar que hay que cerrar la válvula de la campana antes de parar la bomba para evitar que se salga el aceite.
Explicación
científica
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Curiosidades
y otras cosas
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Si pesamos una tonelada de paja y otra de plomo en un lugar normal, como por ejemplo en el aula, y después hacemos el vacío y repetimos la operación, veremos que ni la tonelada de plomo llega a los mil kilos ni la tonelada de paja; pero sorprendentemente la tonelada de paja pesa unos dieciséis kilos más que la de plomo.
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El peso es una fuerza y se mide en Newtons, mientras que la masa se mide en Kilogramos, pero para no liarla, seguiremos la costumbre normal de decir el peso en kilos (que es una confusión entre peso y masa, pero que en este caso puede quedar más claro).
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Cuenta la leyenda que: El rey Hieron II de Siracusa -la Tierra de Arquímedes- entregó oro a un orfebre para que le hiciese una corona. Hieron tuvo el chivatazo de que el artesano le había engañado, sustituyendo parte del oro por plata, y encargó a Arquímedes que lo comprobase. La historia dice que Arquímedes, que llevaba tiempo pensando en el problema, lo resolvió al observar que al introducirse en la bañera el agua subía de nivel. La alegría fue tan grande que salió desnudo a la calle gritando ¡eureka, eureka! (que en griego significa: ¡lo descubrí, lo descubrí!).
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Arquímedes midió, el volumen de agua que rebosaba al sumergir en un recipiente lleno a rebosar de agua, de: a) La corona, b) Un trozo de oro de igual peso que la corona y c) Un trozo de plata de igual peso que la corona. Al comprobar que el volumen de la corona era intermedio entre los otros dos, pudo asegurar que la corona tenía mezcla de oro y plata.
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Esta es la historia que se lee en libros de texto y en otras fuentes, que sin embargo, no debe ser cierta por porque en esta historia no se tiene en cuenta la tensión superficial, que falsearía totalmente las medidas.
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Podemos coger un vaso, llenarlo de agua hasta el borde y una vez lleno sin que quepa una gota más, echamos alfileres con cuidado poniéndolas de punta y dejándolas caer. Es sorprendente ver que podemos añadir veinte alfileres sin ninguna dificultad y si se hace con mucho cuidado podemos llegar hasta unos 300 alfileres.
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Si en un vaso podemos añadir esos alfileres en un recipiente mayor podremos añadir un número mucho mayor, siendo posible que se metiera la corona entera sin que el agua desbordase y si desbordara, es imposible hacer una medición con un mínimo de exactitud; así que la leyenda con seguridad es falsa.
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La historia de la bañera la relató por primera vez Vitruvius (Vitruvio) y es repetida constantemente en los libros. Ese método atribuido a Arquímedes no sería adecuado, por causa de los errores introducidos por la tensión superficial del líquido. Galileo ya sospechaba que Arquímedes hubiera utilizado otro método, utilizando pesajes (balanza hidrostática) y no medidas de líquido derramado. Hace más de cien años, Berthelot (1827-1907) encontró un texto del inicio de la era cristiana que confirmaba la conjetura de Galileo, pues atribuía a Arquímedes ese segundo método.
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Lo que probablemente hizo Arquímedes fue lo siguiente: Consiguió un trozo de oro del mismo peso que le había dado el rey al orfebre. En una sencilla balanza de las de la época consistente en una varilla con un hilo en el centro colgaría la corona y el trozo de oro equilibrándose al pesar lo mismo ya que el orfebre no era tonto y seguro que dio una corona que pesaba lo mismo que el oro que le había dado el rey. Una vez visto que estaba equilibrada Arquímedes sumergiría todo en agua. Si las dos hubieran sido de oro, seguirían equilibradas mientras que si la corona fuera de oro y plata, tendría menos densidad y desalojaría más volumen que el oro puro, por tanto la balanza se inclinaría hacia el lado del oro. Así es como probablemente Arquímedes descubrió que la corona no era de oro. Al hacerlo había descubierto el principio de Arquímedes.
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Todo cuerpo sumergido en un líquido (actualmente diríamos en un fluido) experimenta una fuerza vertical hacia arriba (empuje) igual al peso del volumen del líquido desalojado.
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Esto es lo que ocurre con un barco, como el volumen que desaloja (por ser hueco) es enorme, el empuje hacia arriba es igual que el peso del barco y éste flota.
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Antiguamente se creía que los gases no pesaban. Este error persistió hasta la época de Galileo, quien demostró que los gases pesan. Para ello, hizo más o menos lo siguiente:
1) Pesó un recipiente con aire
2) Pesó el mismo recipiente con aire comprimido
En esta segunda prueba había más aire dentro del recipiente y como la balanza indicó mayor peso, comprobó que el aire pesa. Como el aire pesa, debe tener peso específico. ¿Cómo lo medimos?
1) Pesamos un balón de 1 litro de aire
2) Practicamos el vacío dentro del balón y lo pesamos vacío
La diferencia es el peso de 1 litro de aire. Así que un litro de aire pesa 0,013N. Su peso específico es 0,013 N/dm3. (13 gramos por litro). -
Si pesamos una tonelada de paja y otra de plomo en estamos en una situación similar que si hubiéramos hecho la medición dentro del recipiente de agua en el que Arquímedes hizo la demostración de la corona. Aquí el fluido que empuja hace arriba es el aire. La paja tiene menos densidad que el plomo, por tanto la paja desaloja más aire, por tanto sufre un mayor empuje hacia arriba. Si ahora hacemos el vacío, quitamos el empuje. Por tanto, quitamos el empuje del aire tanto al plomo como a la paja; pero como la paja tenía mayor empuje, resulta que para igualarse con el plomo tenía que tener más masa: tiene que pesar más en el vacío.
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Esto nos indica que lo que marca la balanza en una situación normal no es el peso (fuerza con que la tierra está atrayendo al objeto pesado), sino el peso aparente (diferencia entre el peso y el empuje). Por tanto, aunque ambos pesos aparentes sean iguales al realizar la medida en las condiciones habituales, estos serán diferentes en el vacío pues los empujes lo son.
Bibliografía