Balanza hidrostática
Una balanza hidrostática es un mecanismo experimental destinado al estudio de la fuerza de impulso ejercida por fluidos sobre los cuerpos en ellos inmersos. Fue inventada por Galileo Galilei el 17 de diciembre de 1585. Su funcionamiento se basa en el principio de Arquímedes y está especialmente concebida para la determinación de densidades de sólidos y líquidos.
Una variante de balanza hidrostática es la Balanza de Mohr-Westphal que la sustituyó rápidamente tras su invención al ser más precisa y sencilla de usar.
Hoy en día estas dos balanzas casi no se utilizan en laboratorios. En su lugar se emplea el picnómetro o medidores digitales, que son mucho más precisos.
La balanza hidrostática consta comúnmente de dos brazos, de los que cuelgan dos platillos. De uno de ellos se cuelga el objeto del cual queremos determinar su volumen y en el otro las pesas calibradas para determinar su masa. Una vez determinada se sumerge al objeto en agua destilada y se calcula de nuevo la masa del objeto.
Una vez conocida esta diferencia de masas aplicamos el principio de Arquímedes (todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una impulso vertical y hacia arriba equivalente al peso del volumen de fluido desalojado). Como la densidad del fluido es 1 g/cm³ (agua destilada) simplemente aplicamos la fórmula de la densidad:
Como se observa a simple vista, la precisión de este método es cuestionable ya que el error absoluto y relativo es cuantioso. Aun así fue un importante avance para el Siglo XVII.
BALANZA HIDROSTATICA
La balanza hidrostática es un modelo de báscula sirve para múltiples funciones. Por un lado, contribuye a la comprobación experimental del Principio de Arquímedes (sobre el cual ampliaremos más adelante) respecto a los cuerpos sumergidos en líquido y, por el otro, ayuda a determinar, también de una forma experimental, la densidad de los cuerpos sólidos.
El principio en el que basa asegura que "todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta un empuje ascensional igual al peso del fluido desplazado". Si tenemos que colocarla en un determinado grupo, esta medidora puede ser fácilmente catalogada como “de precisión”, justamente por la exactitud en los resultados finales del pesaje.
En cuanto al sistema de operación de la balanza hidrostática, cuenta con una cruz que puede ser elevada a partir del uso de una horquilla y de una cremallera que va a estar mandada por un tornillo. Sus platillos, por otra parte, terminan de manera inferior en un gancho. De uno de ellos puede suspenderse un cilindro hueco elaborado en metal y, seguido a este, otro de igual volumen que la capacidad del anterior, aunque de estructura maciza.
Funcionamiento de la balanza hidrostatica
En lo que respecta al funcionamiento de la balanza hidrostática, hay que comenzar por la elevación de la cruz. Para esto hay que accionar el tornillo y añadir en el platillo derecho una serie de pesas que permitan equilibrar la báscula.
Posteriormente, se debe acercar un recipiente con agua hacia el platillo del lado izquierdo, hasta que el cilindro de constitución maciza quede sumergido en el líquido de manera completa. Es en ese instante cuando se observará una elevación del platillo izquierdo. Este es un claro indicativo de que ha aparecido una suerte de fuerza ascensional que opera directamente sobre el cilindro.
Por último, se debe colocar, con una pipeta, una mayor cantidad de agua al cilindro de estructura hueca, hasta que el mismo quede totalmente lleno de líquido. Entonces lo que se podrá notar es que el equilibrio de la medidora va a reestablecerse. Justamente ese hecho es lo que va dar muestra incuestionable delempuje ascensional, que va a ser análogo al peso de una cantidad de fluido (en este caso agua) de igual volumen que el cilindro macizo que fue inmerso en el líquido. Ahora bien, las medidas de la densidad de un líquido y de un sólido no van a ser las mismas, así como tampoco los medios mediante los cuales las obtendremos.
En el primer caso, el de los líquidos, deben emplearse unas masas auxiliares, por lo general de forma esférica, que se encuentran provistas de un gancho destinado a su suspensión en la base inferior de uno de los platillos.
En cuanto a la densidad del líquido, ésta proviene de la relación que se produce entre las masas del líquido que será desalojado en el caso de líquido y en el caso del agua, en ese exacto orden. Los datos, por otro lado, van a obtenerse de los pesos de la pieza auxiliar que se encuentra sumergida en el líquido para un caso y en el agua para otro caso.
En la segunda situación, es decir, aquella relacionada con la determinación de las medidas de densidad de un sólido, lo que se va a llevar a cabo es una medición a partir del peso del cuerpo en el aire y del peso de éste sumergido enteramente en el agua. De esta forma, el valor de la densidad se establece como una unión existente entre la masa del cuerpo y la masa del agua que se desaloja, que a su vez se va a determinar en detrimento de los pesos en el aire y en el interior del fluido mismo.
En la segunda situación, es decir, aquella relacionada con la determinación de las medidas de densidad de un sólido, lo que se va a llevar a cabo es una medición a partir del peso del cuerpo en el aire y del peso de éste sumergido enteramente en el agua. De esta forma, el valor de la densidad se establece como una unión existente entre la masa del cuerpo y la masa del agua que se desaloja, que a su vez se va a determinar en detrimento de los pesos en el aire y en el interior del fluido mismo.
Historia de la balanza hidrostatica: principio de Arquimedes
Si hacemos referencia a los orígenes de la balanza hidrostática, debemos mencionar la historia del célebre “Eureka” de Arquímedes. Según se cree, fue en una bañera el lugar donde se le ocurrió la solución al problema que le había planteado un rey. La pregunta de éste había sido la siguiente: ¿Realmente una corona de oro está hecha de oro en su totalidad?.
Ballestilla
La ballestilla es un instrumento de navegación antiguo utilizado para medir la altura del sol y otrosastros sobre el horizonte con el fin de utilizar la información así obtenida en la navegación náutica.
Una descripción de la ballestilla que hizo un judío catalán llamado Levi ben Gerson en 13421 parece ser la noticia más antigua acerca de este instrumento.
La ballestilla es una vara de madera sobre la que se desliza una vara cruzada más pequeña. El marino aplicaba el ojo en un extremo del instrumento, dirigía éste hacia la estrella cuya posición quería medir y deslizaba la vara cruzada hasta que la parte inferior de ésta coincidía con el horizonte y la superior con la estrella. La altura de la estrella (ángulo que forma con el horizonte) se leía directamente en una graduación grabada en la vara principal.
Los marinos —sobre todo los españoles y los portugueses— usaban la ballestilla para determinar lalatitud a la que se encontraban midiendo la altura de la estrella polar sobre el horizonte (la altura de Polares sobre el horizonte es una buena medida aproximada de la latitud).
Baróscopo
Se denomina baróscopo a una aparato de física imaginado por Otto von Guericke para demostrar que el principio de Arquímedes se aplica también a los gases.
El baróscopo consiste en una pequeña balanza cuyo fiel eleva por un lado en vez de platillos una pequeña masa de plomo y por el otro una esfera hueca de cobre cuyo volumen es de unos 500 centímetros cúbicos. Se hace correr la pequeña masa de plomo hasta que el equilibrio es perfecto. Colocando entonces el aparato bajo el recipiente de la máquina neumática y haciendo el vacío se ve que el fiel se inclina hacia el lado de la esfera mayor lo cual prueba que ésta en realidad pesaba más pero que en el aire perdía más de su peso que la pequeña.
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