Principio Fisico Globo

Presentacin de PowerPoint

Principios y pensamiento fsico en el globo AerostticoDaniel Muoz SurezLicenciatura en Matemticas y FsicaUniversidad de Antioquia Viajar en globo aerosttico es una experiencia increble siempre vas a querer recordar. El Globo es sereno y emocionante a la vez , con vistas espectaculares y una sensacin de nica de libertad.

Antecedentes histricos

Bartolomeu Loureno de Gusmo

Presento un globo de aire caliente en 1709 pero fue desacreditado el Cardenal de Lisboa (futuro papa Inocencio XIII)


Bartolomeu Loureno de Gusmo

Aunque nunca tuvo xito con un modelo a escala real, DeGusmo elabor un modelo en miniatura perfecto para los globos de aire caliente ms grandes


Henry Cavendish

En 1766, el cientfico britnico Henry Cavendish llen con hidrgeno una vejiga animal. Descubri que la vejiga pesaba menos, pero slo consider esto como un fenmeno fsico y no imagin siquiera sus posibles aplicaciones aeronuticas.


Jacques y Joseph MontgolfierLos hermanos franceses inventaron el primer globo aerosttico en el siglo XVIII.Gas Montgolfier (Aire caliente)Montgolfiera


Jacques y Joseph MontgolfierLa idea del globo les vino a la mente de manera inesperada. Joseph vio cmo un trozo de papel que se estaba secando al lado de la chimenea se elev por efecto del empuje del aire caliente. Tras ello, junto a su hermano, empez aexperimentar el efecto con bolsas de papel, aprovechando que su padre era fabricante.


Jacques y Joseph MontgolfierSe dieron cuenta de que las bolsas invertidas se elevaban al situarlas encima del fuego por efecto de un gas ms ligero que el aire, que escapaba con facilidad de la gravedad y empujaba la bolsa hacia arriba. Ellos no saban que el gas ligero era simplemente aire caliente (el aire caliente pesa menos que el fro) y creyeron haber descubierto una sustancia nueva a la que llamaron el gas Montgolfier.


Jacques Alexandre Csar CharlesEn 1783creo un globo inflado con hidrogeno.

El globo logr elevarse unos 900 metros y volar durante 45 minutos


Auguste Piccard y Paul KipferEn 1931se convirtieron en los primeros hombres que alcanzaron la estratosfera tras despegar en un globo de hidrogeno

Porqu vuelan los globos?

Los globos no vuelan : flotanSustentacin Flotacin

SustentacinFuerzas que actan sobre un perfil, Mostrando la Sustentacin oponindose al peso, y el impulso o traccin oponindose a la resistencia aerodinmicaFlujo al lo largo de unperfil alar: las velocidades son mucho mayores en la superficie superior que en la inferior

Flotacin

Se denominaflotabilidada lacapacidad que ostenta un cuerpo de mantenerse dentro de un fluido. La flotabilidad de un cuerpo dentro de un determinado fluido depender de las diferentes fuerzas que acten en el mismo y el sentido que presenten las mismasLacausade la flotabilidad no es la densidad del cuerpo. La causa de la flotabilidad es simplemente un balance de fuerzas (peso (gravedad) y presin ejercida por los fluidos que rodean al cuerpo).Antecedentes histricosArqumedes

El rey Hiern le entreg 2,5 kg de oro a su joyero para la construccin de la corona real. Si bien se fue el peso de la corona terminada, el rey sospech que el artesano lo haba estafado sustituyendo oro por plata en el oculto interior de la corona. Le encomend entonces a Arqumedes que dilucidara la cuestin sin daar la corona.

Antecedentes histricosArqumedes

Arqumedes observ que al introducirse en el agua, el nivel de sta suba. Consider que la cantidad de agua desplazada estaba en relacin con su peso.

Pens entonces que con la corona ocurra lo mismo y como el peso (en realidad la masa) dependa de su densidad, una corona que no fuera slo de oro, desplazara una cantidad de agua diferente a una de oro puro.


Arqumedes utilizo el peso especifico para solucionar este problema. Se le llamapeso especficoa la relacin entre elpesode una sustancia y suvolumen. Su expresin de clculo es:


En primer lugar, Arqumedes sumergi una barra de medio kilo (500 gr) de oro puro y comprob que desplazaba 25,3 cm3. Por lo tanto, el peso especfico del oro es:

Pesp oro = 500 gr/25.3 cm3 = 19.3 gr/cm3


Si el joyero hubiera hecho las cosas como le haban indicado, el volumen de lquido desplazado por la corona real, que pesaba 2,5 kilogramos, debera haber sido:

Vcorona = 2.500 gr/19.3 gr/cm3 = 129.5 cm3


A continuacin, sumergi la corona real y midi que el volumen de agua desplazado era de 166 cm3, o sea, mayor del esperado. Hiern haba sido estafado!


En cunto? Para saber qu cantidad de oro haba sido remplazado por plata, Arqumedes repiti la primera experiencia sumergiendo una barra de un kilo de plata para conocer su peso especfico.

Como el volumen desplazado result 95,2 cm3, se tiene que:

Pplata=1000 gr/95.2 gr/cm3 =10.5 gr/cm3


Sabemos que el peso total de la corona es 2.500 gr. (el joyero tuvo la precaucin de que as fuera) y su volumen total, de 166 cm3.

Entonces:

Vcorona = Voro + Vplata = 166 cm3

Vplata = 166 cm3 Voro (1)Pcorona = Poro + Pplata = 2500 gr. (2)


Si rescribimos (2) en funcin del peso especfico y el volumen, nos queda que:

Poro + Pplata = 2500 gr19.3 gr/cm3 * Voro + 10.5 gr/cm3 * Vplata = 2500 gr (3)Sustituyendo (1) en (3)

19,3 gr/cm3. Voro + 10.5 gr/cm3. (166 cm3-Voro) = 2.500 g


De donde se despeja la incgnita:

Voro = 86 cm3

con lo que se deduce que:

Poro= Pesp oro *Voro = 19,3 gr/cm3 *86 cm3 =1.660grPplata=Pcorona - Poro =2.500gr -1.660 gr =840 gr

De esta manera, Arqumedes pudo comprobar que al rey le haban cambiado 840 gr. de oro por plata.


Esta experiencia dio pauta para que Arqumedes resolviera el problema de la corona, pero adems le permiti establecer lo que ahora conocemos como principio de Arqumedes


Arqumedes (287-212 a. C.) Un objeto total o parcialmente sumergido en un liquido, flotar debido a la fuerza, de magnitud igual al peso del liquido desplazado, con la que el liquido acta sobre el objeto. Esta fuerza se conoce como fuerza de flotacin.

Flotacin

Se fundamenta en el principio de Arqumedes; un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido esttico sufre una fuerza contraria a la accin de la gravedad, llamada empuje, igual al peso del volumen de fluido desalojado. A la mencionada fuerza se la conoce comoempuje hidrosttico o de Arqumedes, y se mide enNewtonsPrincipio de Arqumedes

Se formula as:

E= m g = Pf g V

DondeEes elempujefes ladensidaddel fluidoVel volumen de fluido desplazado por algn cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismoglaaceleracin de la gravedad (9,8m/s^2)mlamasa

De este modo el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar.Principio de ArqumedesAs, un cuerpo de 1 m^3, sumergido en agua dulce (Pf = 1000 kg/m3), experimentar un empuje igual a:

E = 1 1000 9.8 E = 9800 N

Si ese cuerpo de 1m^3 tiene un peso menor que la fuerza de empuje, el cuerpo flotara. Principio de ArqumedesPor eso, el aceite ( Df = 980 kg/m3) flota en el agua

1m3 de aceite pesa 9604 N, y el empuje es de 9800 N.

La fuerza resultante sern 9800 N - 9604 N = 196 N. La fuerza con la que ascender el aceite ser de 196 N[ F resultante = E - P]Principio de Arqumedes

Principio de Arqumedes

Principio de ArqumedesComo se dijo anteriormente, para un cuerpo totalmente sumergido el volumen de fluido desplazado Vdcoincidir con el volumen total V del cuerpo. Pero para un cuerpo parcialmente sumergido el volumen de fluido desplazado Vd corresponder al volumen de la parte sumergida del cuerpo en flotacin.



Porqu flotan los globos?

Al ser el aire un fluido entre en el principio que dice un cuerpo total o parcialmente sumergido en unfluidoen reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual alpesodel volumen del fluido que desaloja

Al ser una aeronave aerosttica no propulsada se sirve del principio de los fluidos de Arqumedes.


Cuando el aire est caliente, sus molculas se mueven ms deprisa y ocupan ms espacio, an teniendo la misma masa. Cuando la temperatura del aire aumenta, la densidad del mismo hace exactamente lo contrario.Los globos no pueden dirigirse; se mueven a merced de los vientos.No obstante, el aeronauta experimentado puede controlar el aparato variando su altitud hasta encontrar una corriente que lo lleve en la direccin deseada


La altura a la que se eleva un globo tiende a ser estable. Como un globo que se eleva tiende a aumentar de volumen con la reduccin de la presin atmosfrica, pero el propio globo no se expande tanto como el aire en el que se monta. La densidad media del globo disminuye menos que la del aire circundante. El peso del aire desplazado se reduce. Un globo ascendente deja de subir, cuando ella y el aire desplazado son iguales en peso. Del mismo modo, un globo de hundimiento tiende a dejar de hundimiento.


Un metro cbico de aire a presin atmosfrica normal y temperatura ambiente tiene una masa de aproximadamente 1,2 kilogramos, por lo que su peso es de aproximadamente 12 newtons.

Por lo tanto, cualquier objeto en 1 metro cbico en el aire es impulsado hacia arriba con una fuerza de 12 newtons.


Si la masa del objeto 1 en un metro cbico es mayor de 1,2 kilogramos, se cae al suelo cuando se suelta.

Si un objeto de este tamao tiene una masa inferior a 1,2 kilogramos, que se eleva en el aire. Cualquier objeto menos denso que el aire se elevar.


Fuerza de elevacin real (Fe) = fuerza de elevacin producida por la diferencia de densidades (temperaturas) (Ft) - peso del globo (P).

Flotacin > peso : cuerpo flota Flotacin < peso : cuerpo se hundeFlotacin = peso : equilibrio AL SER UNA AERONAVE AEROSTATICA NO PROPULSADA SE SIRVE DEL PRINCIPIO DE LOS FLUIDOS DE ARQUIMEDES.


En tanto, el trmino flotabilidad se encuentra en estrecha vinculacin con el concepto deflotacinde un cuerpo. Un cuerpo se encontrar en estado de flotacin cuando permanezca suspendido en un entorno lquido o gaseoso, o sea, en un fluido y siempre que el nmero de partculas que componen al objeto sea menor al nmero de partculas del fluido desplazadas.

Cabe destacar, que si el cuerpo en cuestin es de naturaleza compresible la flotabilidad se ver modificada al variar su volumen de acuerdo a lo que establece la ley deBoyle- Mariotte. Sostiene que el volumen es inversamente proporcional a la presin.

O en trminos ms sencillos: A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presin que este ejerce.


Matemticamente se puede expresar as: PV=k

Indica que, para una temperatura determinada, el producto de la presin P por el volumen V de un gas permanece constante K.

Donde kes constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.


El principio de Arqumedes es un concepto de la esttica de fluidos. En su forma ms sencilla, que se aplica cuando el objeto no se est acelerando en relacin con el fluido.

Para examinar el caso cuando el objeto se acelera por la flotabilidad y la gravedad, el hecho de que el propio fluido desplazado tiene inercia, as debe ser considerado.

Ms all del principio de Arqumedes

Esto significa que tanto el objeto flotante y una parcela de fluido experimentarn la misma magnitud de la fuerza de flotabilidad debido a la tercera ley de Newton, y experimentar la misma aceleracin, pero en direcciones opuestas, ya que el volumen total del sistema es sin cambios.

Ms all del principio de Arqumedes

Conceptos extras presentes:

*Peso de los gases: Cada gas tiene un peso especfico

*Velocidad relativa cero: Cuando un globo se halla en sufase de vuelo (sin ascender o descender) la velocidad quelleva en relacin con el aire que lo rodea es cero, ya quese mueve conjuntamente con dicha masa de aire.

*Estabilidad: Un objeto flotante es estable si tiende a restaurar la misma a una posicin de equilibrio despus de un pequeo desplazamiento. La fuerza del peso del objeto acta a travs de su centro de gravedad.


* Teora Cintica de los Gases

Densidadde un gas: En un determinado volumen las molculas de gas ocupan cierto espacio. Si aumenta el volumen (imaginemos un globo lleno de aire al que lo exponemos al calor aumentando su temperatura), la cantidad de molculas (al tener mayor espacio) se distribuirn de manera que encontremos menor cantidad en el mismo volumen anterior.

La densidad es inversamente proporcional al volumen (al aumentar al doble el volumen , manteniendo constante la masa, la densidad disminuye a la mitad) pero directamente proporcional a la masa (si aumentamos al doble la masa, en un mismo volumen, aumenta al doble la densidad)


* Fluidos compresibles y objetos: La densidad de la atmsfera depende de la altitud.

Como un dirigible se eleva en la atmsfera, su flotabilidad disminuye a medida que la densidad de las disminuciones de aire circundantes.

*Zona de turbulencias. Espacio de la atmsfera en el queexisten corrientes de aire que circulan en distintasdirecciones, generando inestabilidad y remolinos.


* Teora Cintica de los Gases

Conveccin Si existe una diferencia de temperatura en elinteriorde un fluido (lquido o un gas) es casiseguroque se producir un movimiento llamado conveccin.

Si se calienta un lquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir, el fluido ms caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido ms fro y ms denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina conveccin natural. El lquido ms fro vuelve a calentarse por conduccin, mientras que el lquido ms caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiacin y lo cede al aire situado por encima.

Bibliografahttp://anaburgos.info/pdf/hidrodinamica.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sustentaci%C3%B3nhttp://www.manualvuelo.com/PBV/PBV12.htmlhttp://quiosco.elmundo.orbyt.es/ModoTexto/salacolumnas.aspx?id=16282370&sec=El%20Mundo&fecha=07_07_2013&pla=pla_11014_Madrid&tipo=5&d=1http://www.laeff.cab.inta-csic.es/projects/reporter/docs/index.php?pagename=LAEFF_Reporter/num_33,_Noviembre_02/Dossierhttp://fisicayquimicavarques.com/propiedades-del-airehttp://www.datuopinion.com/principio-de-arquimedeshttps://physicscience.wordpress.com/2014/11/27/aqui-abajo-todos-flotan/http://es.slideshare.net/Fran_aleera/el-globo-aerostticohttp://www.mailxmail.com/curso-globos-aerostaticos-papel/montaje-proceso-patentadohttp://es.wikipedia.org/wiki/Bartolomeu_Louren%C3%A7o_de_Gusm%C3%A3ohttp://httpelmatutinodeguerrero.blogspot.com/2014/05/pagina-5_25.htmlhttp://fcm.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/APUNTES/FLOTACION.htmhttp://es.slideshare.net/Alonso_MM/principio-de-arqumedes-y-flotabilidadhttp://hidrostaticasanmiguel.blogspot.com/2008/09/flotabilidad.htmlhttp://www.icao.int/secretariat/PostalHistory/aviation_history_human_flights_with_balloons.htmhttp://campodocs.com/articulos-utiles/article_110965.htmlhttp://elblogdetradux.blogspot.com/2011/09/el-viaje-mas-extraordinario-la-fosa-de.htmlPrincipio de Arqumedes. Profesor Jos Luis GajardoGracias.

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