PESO ESPECÍFICO

El peso es la fuerza que ejerce el planeta para atraer a los cuerpos. La magnitud de la fuerza en cuestión también se conoce como peso. Peso, por otra parte, se suele usar como sinónimo de masa, aunque este concepto nombra específicamente el nivel de materia del cuerpo (más allá de la fuerza gravitatoria).

Con esto en mente, podemos definir la noción de peso específico, que es el vínculo existente entre el peso de una cierta sustancia y el volumen correspondiente. Puede expresarse en newtons sobre metro cúbico (en el Sistema Internacional) o en kilopondios sobre metro cúbico (en elSistema Técnico).

Es importante destacar que el kilopondio (también conocido como kilogramo-fuerza) es la fuerza que ejerce la gravedad del planeta Tierra sobre una masa de un kilogramo. Esto quiere decir que el valor del peso específico expresado en kilopondios sobre metro cúbico resulta equivalente al valor de la densidad (que se expresa en kilogramos sobre metro cúbico).

El peso específico, por lo tanto, es el peso de una sustancia por unidad de volumen. La densidad, por otra parte, refiere a la masa de una sustancia por unidad de volumen y se obtiene a través de la división de una masa conocida del material en cuestión por su volumen.

Si tomamos el caso del agua congelada, advertiremos que su peso específico es de 9170 newtons sobre metro cúbico, mientras que su densidad es de 0,917 kilogramos sobre metro cúbico.

Si bien la densidad y el peso específico son conceptos diferentes, tienen una estrecha relación entre sí. Por ejemplo, si tomamos la fórmula del peso de un cuerpo (P = m . g, masa por aceleración de la gravedad) y la usamos para sustituir la variable p en la fórmula de peso específico (Pe = p / V, peso sobre volumen), obtenemos lo siguiente: Pe = m.g / V. Esto también puede expresarse como Pe = m/V . g y, dado que la densidad es la masa sobre el volumen, puede concluirse que el peso específico es igual a la densidad multiplicada por la aceleración de la gravedad: Pe = d . g.

Conocer el peso específico de un cuerpo puede ser muy importante a nivel industrial para determinar cuáles son las mejores condiciones para su procesamiento, por ejemplo. Todo dependerá de las características del producto que se planea obtener. Gracias a la determinación del peso específico, y también en algunos casos de la densidad, se puede obtener la mejor calidad física y fisiológica de ciertos productos, tales como el arroz, el vino (a través del análisis del mosto, ya que a mayor peso específico, mayor contenido de azúcar), las gemas y el cemento.

Peso específico relativo

Se denomina peso específico relativo de una sustancia dada es su peso unitario dividido por el peso unitario del agua cuando se destila a una temperatura de 4 °C. Este valor se usa para la predicción del peso unitario de un suelo, para realizar el análisis de hidrómetro y para el cálculo de la relación de vacíos de un suelo. Para los granos es el valor considerado promedio y por lo general sirve para llevar a cabo la clasificación de sus minerales. Cabe mencionar que este concepto también se denomina gravedad específica.

Cuando se desea determinar el peso específico relativo de un suelo se establecen dos procedimientos: uno para aquéllos que consisten de partículas más pequeñas de 5 milímetros; otro para los restantes. Por medio de un tamiz número 4 es posible realizar dicha clasificación, para aplicar el método que corresponda a cada muestra, luego de lo cual se deberá obtener el promedio ponderado de ambas.}

El peso específico de un cuerpo o sustancia, es la relación que existe entre el peso y el volumen que ocupa una sustancia ya sea en estado solido, líquido o gaseoso. Es una constante en el sentido de que es un valor que no cambia para cada sustancia ya que a medida que aumenta su peso también aumentara su volumen ocupado, al igual que sucede con la densidad.

Pe = Peso / volumen

Pe = Peso específico.

Esta constante tiene la importancia de ser una propiedad intensiva, ya que nos permitira identificar a la sustancia.

En los ejercicios nos pueden preguntar cuanto vale el Pe de la sustancia o cual es el peso o el volumen que ocupa esta. Como la fórmula tiene tres partes nos darán dos datos o los elementos para obtener esos dos datos y poder calcular la incógnita.

Ejemplos:

1) Calcula el Peso específico de un cubo de madera de 6 cm de lado que pesa 160 gramos.

El volumen de un cubo como sabemos es lado x lado x lado o lado elevado al cubo.

V = 6 cm x 6 cm x 6 cm = 216 cm³

Pe = 160 grs/216 cm³

Pe = 0.74 grs/cm³

Como observamos, las unidades de peso específico son unidades de peso divididas por unidades de volumen. Las mas comunes serán grs/cm³ o Kgs/dm³.

2) Calcula el peso de un cilindro de aluminio de 5 cm de radio y 4 dm de altura. El peso específicodel aluminio es de 2,7

Debemos recordar la fórmula de calculo para el volúmen de un cilindro.

V = ∏ x r² x h

Donde:

r = radio

h = altura.

V = 3,14 x 25 cm² x 40 cm

Los 4 dm pasados a cm dan 40 cm y 5 cm elevados al cuadrado dan como resultado 25 cm².

V = 3140 cm³.

Ahora podemos calcular el peso a partir de la fórmula de peso específico.

Peso = Pe x V

Peso = 2,7 grs/cm³ x 3140 cm³

Las unidades de volumen quedan canceladas y finalmente el peso nos queda en gramos como corresponde.

Peso = 8478 grs.

Fuerza de empuje y Principio de Arquímedes

Cuando se sumerge un cuerpo en un líquido parece que pesara menos. Lo podemos sentir  cuando nos sumergimos en una piscina, o cuando tomamos algo por debajo del agua, los objetos parecieran que pesan menos. Esto es debido a que, todo cuerpo sumergido recibe una fuerza de abajo hacia arriba.

Cuando en un vaso lleno de agua sumergimos un objeto, podemos ver que el nivel del líquido sube y se derrama cierta cantidad de líquido. Se puede decir que un cuerpo que flota desplaza parte del agua.

El líquido ejerce fuerza hacia arriba.

Arquímedes, quien era un notable matemático y científico griego, se percató de estas conclusiones mientras se bañaba en una tina, al comprobar cómo el agua se desbordaba y se derramaba, y postuló la siguiente ley que lleva su nombre:

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso del líquido desalojado.

Cuerpos sumergidos

Sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas; su peso, que es vertical y hacia abajo y el empuje que es vertical pero hacia arriba.

Si queremos saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico, que es igual a su peso dividido por su volumen.

Entonces, se pueden producir tres casos:

1.     si el peso es mayor que el empuje ( P > E ), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del cuerpo es mayor al del líquido.

2.     si el peso es igual que el empuje ( P = E ), el cuerpo no se hunde ni emerge. El peso específico del cuerpo es igual al del líquido.

3. Si el peso es menor que el empuje ( P < E ), el cuerpo flota. El peso específico del cuerpo es menor al del líquido.

Cuerpos sumergidos: tres casos.

Ejemplo, con un caso práctico: ¿por qué los barcos no se hunden?

Los barcos no se hunden porque su peso específico es menor al peso específico del agua, por lo que se produce un empuje mayor que mantiene el barco a flote.

Esto a pesar de que el hierro o acero con que están hechos generalmente los barcos es de peso específico mayor al del agua y se hunde (un pedazo de hierro en el agua se va al fondo), pero si consideramos todas las partes del barco incluyendo los compartimientos vacíos, el peso específico general del barco disminuye y es menor al del agua, lo que hace que éste se mantenga a flote.

El Principio de Arquímedes

Un trasatlántico está hecho fundamentalmente de acero. Si se deposita una plancha de acero en el agua, se hunde. Entonces ¿por qué flotan los trasatlánticos?

Arquímedes

La respuesta está basada en un conocido principio físico llamado Principio de Arquímedes, el cual trataremos de explicar a continuación.

Como parte de la explicación, y para entender de qué se trata, contaremnos la siguiente anécdota:

La corona de oro del rey Herón

Según se cree, Arquímedes fue llamado por él el rey Herón de Siracusa, donde Arquímedes vivió en el siglo III A.C., para dilucidar el siguiente problema.

Se cuenta que el rey Herón de Siracusa le había entregado a un platero una cierta cantidad de oro para con ella le hiciera una corona. Cuando estuvo terminada, se decía que el platero había sustituido una parte del oro por una cantidad equivalente de plata, devaluando con ello la corona y engañando, pues, al rey.

El rey encargó a Arquímedes que descubriera si había sido engañado. El problema que Arquímedes debía resolver era determinar si el joyero había sustraído parte del oro o no, pero no podía romper la corona para averiguarlo.

¡Eureka! y corrió desnudo.

Arquímedes pensó arduamente cómo resolver el problema, sin poder encontrar una solución.

Se dice que mientras se disponía a bañarse en una tina, en la que por error había puesto demasiada agua, al sumergirse en ella, parte del agua se derramó.

Arquímedes se dio cuenta de que este hecho podía ayudarle a resolver el enigma planteado por Herón y fue tal su regocijo que, desnudo, salió corriendo de la tina gritando "¡Eureka, eureka!" (que significa "¡Lo encontré, lo encontré!").

En efecto, Arquímedes, con esta observación, dio origen a un método paradeterminar el volumen de distintos tipos de sólidos. Este método se conoce con el nombre de Medición de Volumen por Desplazamiento (de líquidos).

Medición de Volumen por Desplazamiento

El volumen de un cuerpo es, hablando de manera simple, la cantidad de espacio que ese cuerpo ocupa.    

Existen distintas maneras de determinar (medir) el volumen de los cuerpos.

El siguiente método, es especialmente útil para medir el volumen de cuerpos sólidos impermeables, es decir, cuerpos sólidos que no absorben líquidos.

El primer método para calcular el volumen es el matemático, y se emplea en cuerpos regulares, fácilmente medibles. Por ejemplo, una goma que puede tener 3 cm de largo, por 2 cm de ancho por un cm de alto: Se multiplica el largo (3) por el ancho (2) por el alto(1) y se obtiene el volumen en cm cúbicos:

3 x 2 x 1 = 6 cm cúbicos  (6 cc)

Para explicar en segundo método, consideremos un cuerpo sólido impermeable como una goma de borrar, una bolita o una piedra. Supongamos que queremos determinar el volumen de una piedra.  (El método es igualmente útil para cualquiera de los otros dos objetos)

El nivel sube.

Una manera de determinar el volumen de la piedra consiste en tomar una probeta de unos 30 ml, por ejemplo (como la de la figura), y llenarla de agua hasta la marca de 20 ml. A continuación, se deposita la piedra dentro del agua. Una vez que la piedra se haya hundido completamente el nivel del agua habrá ascendido, desde los 20 ml iniciales a, digamos, 23 ml, por ejemplo.

La diferencia de nivel determina el volumen de la piedra,  3 ml ó  3 cm3 o  3 cc (3 centímetros cúbicos), en este caso. Ya que la piedra no absorbe agua, el espacio que ocupa la piedra desplaza el agua hacia arriba y, de esta manera es posible determinar su volumen.

Una forma ligeramente diferente de realizar la misma tarea, consiste en llenar de agua completamente un recipiente cualquiera y ponerlo sobre una cubeta. Después, se introduce la piedra al agua.

Esto producirá un rebalse del agua que caerá en la cubeta. El agua que cayó en la cubeta se vierte en una probeta y se mide.

El resultado de esa medición determina el volumen de la piedra. Este fue el resultado que encontró Arquímedes al bañarse en la tina.

Es importante destacar que es posible utilizar este mismo método para determinar el volumen de cuerpos irregulares como una pera o una zanahoria, por ejemplo.

DENSIDAD

Densidad, del latín densĭtas, es la característica propia de denso. Este adjetivo, a su vez, refiere a algo que dispone de una gran cantidad de masa en comparación a su volumen; que es tupido o macizo; que tiene un importante nivel de contenido o es muy profundo en una dimensión reducida; o que resulta indefinido y poco claro.

En el ámbito de la química y de la física, la densidad es la magnitud que refleja el vínculo que existe entre la masa de un cuerpo y su volumen. En el Sistema Internacional, la unidad de densidad es el kilogramo por metro cúbico (conocido por el símbolo kg/m3).

Un kilogramo de bronce, por ejemplo, ocupará un espacio mucho menor que un kilogramo de plumas. Esto se explica a partir de la densidad: el bronce es más denso (tiene más masa en menos volumen) que las plumas. Las diferencias de densidad permiten que existan objetos pesados pero pequeños y objetos livianos pero muy grandes.

Así como la relación entre masa y volumen de un cuerpo permite obtener la densidad de un objeto, la demografía apela a una lógica similar para hablar de la densidad de población. En este caso, la magnitud se calcula a partir de la cantidad de habitantes que viven en una misma unidad de superficie. Si una ciudad tiene 20.000 personas que se distribuyen en un territorio de 2 kilómetros cuadrados, su densidad de población será de 10.000 habitantes por km2.

La densidad óptica, por su parte, refiere al nivel de absorción de la luminosidad. En la fotografía, el concepto de densidad está vinculado al oscurecimiento de una imagen según la cantidad de luz a la que ha sido expuesta.

En la informática, la densidad indica el número de bites que pueden depositarse en un sistema de almacenamiento de memoria.

La densidad de población y los desequilibrios ambientales

Un concepto profundamente ligado a este concepto es el de densidad de población, el cual hace referencia a la demografía, es decir a la cantidad de individuos que habitan en un determinado territorio.

Para que toda especie ya sea vegetal o animal pueda desarrollarse en un determinado hábitat de la forma recomendable y equitativa con el medio ambiente, es necesario que exista una relación pareja entre recursos presentes en el espacio y utilización de los mismos; si el número de individuos supera a la cantidad de recursos a repartir entre todos, se habla de un desequilibrio ambiental, donde peligra la vida en todos sus aspectos.

Cuando dicha anomalía se presenta, suele suceder que naturalmente se lleven a cabo una serie de cambios en las poblaciones para evitar el aumento desmesurado de la comunidad y asegurar la supervivencia de la especie. Algunos de estas transformaciones son:

* Desarrollo lento (al escasear el espacio y los víveres los individuos comienzan a desarrollarse con lentitud y por ende, se retrasan los procesos reproductivos, trayendo el equilibrio a la comunidad);

* Baja en la fertilidad (debido al debilitamiento de las madres, a causa de la escasa alimentación, el número de crías disminuye y son más propensas a la mortandad);

* Disminución del tamaño de los individuos (la escasez provoca a su vez que los individuos crezcan y pesen menos);

* Emigración (si es posible, parte de la población se traslada a otras regiones en busca de una mejor calidad de vida);

* Desaparición de la población (cuando los daños causados en el medio natural son excesivos, puede generarse la extinción de la especie en dicho territorio. Puede darse de forma paulatina o bruscamente, cual si se tratara de una epidemia).

Cabe mencionar que en el caso de los seres humanos, debido a que son muy escasas las medidas de control de natalidad que existen y a que, gracias a los avances científicos el índice de mortalidad tiene lugar a una edad más avanzada, hemos llegado a sobrepoblar el planeta. Si no tuvieran lugar medidas exhaustivas para equiparar la distribución de los recursos y a la vez controlar el nivel de nacimientos, sería imposible no sólo acabar con el hambre del mundo, sino también asegurar una vida próspera para la especie en cualquier rincón del planeta.

 

Concepto de presión

La materia ordinaria se presenta en alguno de los tres estados siguientes: sólido, líquido o gaseoso. Existe un cuarto estado de la materia denominado plasma que es esencialmente un gas ionizado con igual número de cargas positivas que negativas.

Un sólido cristalino es aquél que tiene una estructura periódica y ordenada, como consecuencia, tiene una forma que no cambia, salvo por la acción de fuerzas externas. Cuando se aumenta la temperatura, los sólidos se funden y cambian al estado líquido. Las moléculas ya no permanecen en posiciones fijas, aunque las interacciones entre ellas sigue siendo suficientemente grande para que el líquido pueda cambiar de forma sin cambiar apreciablemente de volumen, adaptándose al recipiente que lo contiene.

En el estado gaseoso, las moléculas están en continuo movimiento y la interacción entre ellas es muy débil. Las interacciones tienen lugar, cuando las moléculas chocan entre sí. Un gas se adapta al recipiente que lo contiene pero trata de ocupar todo el espacio disponible.

En este capítulo, se estudiarán los denominados fluidos ideales o perfectos, aquellos que se pueden desplazar sin que presenten resistencia alguna. Posteriormente, estudiaremos los fluidos reales, aquellos que presentan cierta resistencia al fluir. La dinámica de fluidos es muy compleja, sobre todo si se presentan los denominados vórtices o torbellinos.

Densidad de un fluido

La densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que ocupa.

ρ=mV

La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/m³, también se utiliza frecuentemente la unidad g/cm³

Densidad de sólidos y líquidos a (20ºC)

Sustancia	Densidad (g/cm3)	Sustancia	Densidad (g/cm3)
Acero	7.7-7.9	Oro	19.31
Aluminio	2.7	Plata	10.5
Cinc	7.15	Platino	21.46
Cobre	8.93	Plomo	11.35
Cromo	7.15	Silicio	2.3
Estaño	7.29	Sodio	0.975
Hierro	7.88	Titanio	4.5
Magnesio	1,76	Vanadio	6.02
Níquel	8.9	Volframio	19.34

Sustancia	Densidad (g/cm3)	Sustancia	Densidad (g/cm3)
Aceite	0.8-0.9	Bromo	3.12
Acido sulfúrico	1.83	Gasolina	0.68-0.72
Agua	1.0	Glicerina	1.26
Agua de mar	1.01-1.03	Mercurio	13.55
Alcohol etílico	0.79	Tolueno	0.866

Fuente: Manual de Física Elemental. Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Edtorial Mir (1975) (págs. 36-37).

Concepto de presión

Se define presión como el cociente entre la componente normal de la fuerza sobre una superficie y el área de dicha superficie.

p=FnS

La unidad de medida recibe el nombre de pascal (Pa).

La fuerza que ejerce un fluido en equilibrio sobre un cuerpo sumergido en cualquier punto es perpendicular a la superficie del cuerpo. La presión es una magnitud escalar y es una característica del punto del fluido en equilibrio, que dependerá únicamente de sus coordenadas como veremos en la siguiente página.

En la figura, se muestran las fuerzas que ejerce un fluido en equilibrio sobre las paredes del recipiente y sobre un cuerpo sumergido. En todos los casos, la fuerza es perpendicular a la superficie, su magnitud y el punto de aplicación se calculan a partir la ecuación fundamental de la estática de fluidos.

Curso Interactivo de Física en Internet © Ángel Franco García