¿CUÁL PESA MÁS? ¿FLOTA O SE HUNDE?

Una propuesta didáctica que nos acerca experimentos sobre peso específico y flotación para el rincón de ciencias en salas de 3 y 4 años.

Por Gustavo Tupone

Eureka! Cuenta la historia que esta palabra fue pronunciada por Arquímedes tras descubrir la forma de determinar la densidad de los sólidos midiendo el cambio de peso que experimentaban al introducirlos en el agua. Este descubrimiento fue realizado cuando Arquímedes intentaba resolver un problema que le había planteado el gobernador de Sicilia, quien dudaba de la honestidad del joyero a quien había encargado la fabricación de su corona y suponía que había mezclado plata con oro en su confección.

Durante cierto tiempo Arquímedes se mostró incapaz de resolver el problema, pero se dice que un día, mientras tomaba un baño, dio con la respuesta y salió corriendo desnudo por las calles de Siracusa gritando Eureka.

Cualquier objeto sumergido en un líquido pierde peso. Esto puede comprobarse fácilmente si intentamos levantar una piedra debajo del agua. Dependiendo del peso de la piedra, es de esperar que no nos represente demasiado esfuerzo, sin embargo al sacar la piedra fuera del agua, el peso de la piedra parecerá haber aumentado notablemente: esto se debe a que los fluidos ejercen una fuerza en sentido contrario al peso de los cuerpos. En otras palabras: sobre un cuerpo sumergido actúan por lo menos dos fuerzas: 1) el peso que se ejerce hacia el centro de gravedad de la tierra y 2) el “empuje” que es normal a la gravedad, es decir que tiene la misma dirección y sentido opuesto. A este “empuje” contrario a la gravedad se lo conoce como fuerza de flotación.

Cuando el peso de un cuerpo es mayor a la fuerza de flotación, el objeto se hunde; si el peso y la fuerza de flotación son iguales, el objeto permanecerá “a media agua” y si la fuerza de flotación supera en magnitud al peso, entonces el objeto flotará.

Pero la flotabilidad también se relaciona directamente con el volumen de los objetos y no sólo con su peso, es decir que si se tienen dos objetos con el mismo peso pero con diferente volumen, el objeto de mayor volumen tendrá mayor tendencia a flotar, ya que para hundirse totalmente deberá desplazar más agua que el más pequeño y por ende el empuje recibido será mayor.

De acuerdo con lo enunciado por Arquímedes: Sobre un objeto inmerso[1] se ejerce una fuerza de flotación igual al peso del fluido que se desplaza[2].

Podemos resumir la capacidad de flotación de los objetos en los siguientes enunciados: 

· Si un cuerpo es más denso que el fluido en el que está inmerso, se hundirá.

· Si un cuerpo tiene la misma densidad que el fluido en el que está inmerso, no flotará ni se hundirá.

· Si un cuerpo es menos denso que el fluido en el que está inmerso, entonces flotará.

Por ejemplo, si una persona se sumerge en el agua y exhala todo el aire contenido en sus pulmones, inevitablemente se hundirá; este fenómeno ocurre pues el volumen del cuerpo disminuye sustancialmente sin producir cambios significativos en el peso - siendo que la densidad o, mejor dicho, el peso específico es la relación entre el peso de un cuerpo y el volumen que éste ocupa – entonces la densidad del cuerpo aumentará respecto de la del agua y el cuerpo se hundirá. Si, de modo contrario, la persona que se sumerge en el agua inhala aire, el volumen del cuerpo aumentará sin modificar de manera notable el peso y, en consecuencia, la persona tendrá una mayor tendencia a flotar.

Las siguientes propuestas pretenden introducir a los niños y niñas en los conceptos de densidad (peso específico) y su incidencia en el fenómeno de flotación. Las actividades están ideadas para salas de 3 y 4 años, pero se deja a criterio de los docentes la implementación de los experimentos con niños y niñas de diferentes edades.

Actividades

DENSIDAD

· Materiales: balanza y papel aluminio.

· Procedimiento: antes de comenzar el docente debe preparar  el experimento de la siguiente manera:

-Armar dos cubos de papel aluminio, uno de 12 cm de lado y otro de 8 cm de lado.

-Armar un tercer cubo de 4 cm de lado que contenga la misma cantidad de papel aluminio que el de 12 cm de lado (ambos cubos deben tener el mismo peso). El papel excedente puede colocarse en el interior de las caras.

-Con idéntica cantidad de papel aluminio a la utilizada para armar el cubo de 8 cm, hacer una bolita no muy compacta (A).

- Por último, una cantidad mayor de papel aluminio a la utilizada para hacer el cubo de 12 cm de lado, armar otra bolita (B) (lo más compacta posible, intentando no dejar aire entre los pliegues del papel) de volumen similar a la bolita anterior[3].

Ahora podemos realizar dos clasificaciones de los cuerpos que armamos anteriormente.

Clasificación por tamaño (volumen)

 

El ordenamiento por tamaño resulta casi evidente, ya que sólo con el sentido de la vista podemos decidir cuál objeto es más grande y cuál más pequeño. También puede realizare el ordenamiento en el sentido contrario (de menor a mayor), pudiendo alternar entre las bolitas A y B, que tendrán el mismo volumen.

Clasificación por peso

Para esta clasificación es conveniente pedir a los niños que predigan qué objeto será más pesado y cuál más liviano. Es altamente probable que la clasificación obtenida sea igual a la anterior, pudiendo alternar entre las dos bolitas.


Ahora veamos qué nos dice la balanza.

Tomar los cuerpos uno a uno y pesarlos en la balanza y realizar una nueva clasificación, seguramente el orden obtenido será:

Grupo 1: la bolita B, pues será la más pesada, ya que contiene mayor cantidad de aluminio. 

Grupo 2: el cubo de 12 cm de lado y el cubo de 4 cm de lado.


Grupo 3: el cubo de 8 cm de lado y la bolita A.


Contrariamente a lo esperado, los objetos de mayor tamaño no son los más pesados ni los más livianos y aparentemente no existe ninguna relación entre el peso y el volumen de los cuerpos. Aunque sí existe relación y es el peso específico, que es la relación entre el peso del cuerpo y el volumen que éste ocupa y puede calcularse mediante una sencilla relación.

                                                                             Peso específico = Peso / Volumen

Tanto el peso específico como la densidad son valores constantes para cada material (en estado puro), por ejemplo: el valor de la densidad para el aluminio es de 2,7 g/cm3. Cabe aclarar que en el caso del experimento anterior los valores de peso específico o de densidad obtenidos no serán los mismos para todos los cuerpos, pues cada cuerpo contiene diferentes cantidades de aire retenidas en su interior, con lo cual todos tendrán diferentes relaciones entre su peso y volumen.

Por supuesto que no se pretende que el docente introduzca a sus alumnos en los conceptos de peso especifico y densidad, lo que se intenta con este trabajo es que los niños puedan romper con la idea de que los objetos más grandes son más pesados que los más pequeños y construir la idea de que para modificar el peso de un cuerpo, no sólo alcanza con modificar su volumen, sino que también intervienen otros factores.

Actividades

FLOTACIÓN

· Materiales: cualquier recipiente que pueda utilizarse para contener agua; más los cuerpos utilizados en la primera actividad.

· Procedimiento:

Para comenzar es conveniente realizar la siguiente pregunta: ¿Cuál de los cuerpos se hundirá?

Las respuestas que pueden surgir suelen ser diversas. Algunos niños  responderán que la bolita B se hundirá, ya que es la más pesada; otros podrán responder que los cubos más grandes se hundirán debido a su mayor tamaño.

Luego de indagar acerca de estas suposiciones pasaremos a la experimentación y pondremos uno a uno los cuerpos armados anteriormente en un recipiente con agua. Notaremos que el único objeto que se hunde es la bolita B (probablemente también se hunda la bola A). Luego pesaremos uno de los cubos, lo compactaremos tanto como sea posible (haciendo una nueva bolita) y lo volveremos a pesar, seguramente el peso de esta nueva bola será igual al que tenía el cubo ya que la cantidad de aluminio que la forma es la misma y el aire que contenía el cubo en su interior puede despreciarse en relación al peso del aluminio. Colocar ahora la bolita nuevamente en el recipiente con agua y verificar que sucede (seguramente ahora se hundirá). Repetir el proceso con cada uno de los cubos y con la bolita A, si no se hundió anteriormente.

El objetivo de esta actividad es demostrar que los cuerpos flotan o se hunden debido al espacio que ocupan y no a su peso.

De acuerdo con lo observado extraer conclusiones y formular nuevas “hipótesis” acerca del fenómeno de flotación.

Bibliografía

HANN Judith (1981): La ciencia en casa al alcance de todos. Blume, Barcelona.

HEWITT, Paul G. (1999): Física conceptual. Addison Wesley Longman, México.


[1] Cuando hablamos de inmersión nos referimos a sumergir total o parcialmente el objeto en el fluido en cuestión.

[2] El principio de Arquímedes puede aplicarse tanto a líquidos como a gases pues ambos son fluidos.

[3] A fin de lograr volúmenes similares entre las dos bolitas es recomendable hacer primero la bola mas pesada.

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Gustavo Tupone es Profesor en Química. Licenciado en la Enseñanza de la Química. Profesor en ESB y en Polimodal.