Resumen

Si observas con atención las cosas que nos rodean tienen características específicas que las diferencian unas de otras, estas características se conocen como propiedades de la materia y una de estas propiedades es la densidad.

Seguramente te has divertido haciendo preguntas como esta:

¿Qué pesa más, un kilogramo de plomo o un kilogramo de plumas?

La respuesta puede ser muy obvia, ambos pesan lo mismo, pero muchos se confunden ¿Por qué?

Esto nos lo puede explicar la física con una propiedad de la materia que se llama Densidad.

Cuando hacemos la pregunta de las plumas vs el plomo, la confusión se da porque  pensamos en el volumen que ocupa un kilogramo de cada cosa y nos lleva a deducir que un kilogramo de plomo pesa más porque ocupa menos espacio que uno de plumas y ahí es donde entra en escena la densidad, que es la relación entre peso y volumen, básicamente que tan compacto es un objeto, un líquido o un gas.

En el caso de los líquidos, la densidad produce fenómenos curiosos, algunos visibles y otros no tanto, pero hay uno que todos conocemos muy bien y es el del agua y el aceite, ambos son líquidos, pero sus características son distintas y cuando los ponemos juntos no se mezclan, y aunque los agitemos, después de un tiempo en reposo vuelven a separarse como por arte de magia.

Esa magia es realizada entre otras cosas por la densidad.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

En nuestra casa hay muchos líquidos que utilizamos para distintas cosas. Tenemos unos para cocinar, freír o hervir, otros para beber, otros para limpiar o curar. En el coche usamos otros como gasolina, aceite y aditivos.

En algunos caso se usan dos líquidos diferentes juntos, pero algunos no se mezclan, el identificar cuándo se da este fenómeno nos ayudará a saber por que sucede y cómo lo podemos aplicar en nuestra vida diaria.

Antecedentes

Todo lo que nos rodea, incluyendo a los seres vivos, es materia. La materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio. Se puede medir y pesar, y encontrar en diversos estados: sólido, líquido y gaseoso.

La materia presenta diversas propiedades que la caracterizan, algunas de ellas identifican a toda la materia, por ello se les llama propiedades generales; otras, como las propiedades particulares de la materia sólida, precisan ciertas características de un grupo; y las que determinan las diferencias entre una sustancia y otra se llaman propiedades específicas.

Las dos propiedades generales más importantes de todos los cuerpos materiales son: la masa y el volumen. Ambas sirven para conocer de modo indirecto la cantidad de materia que contiene un cuerpo o sistema material. Todos los cuerpos materiales, sean sólidos, líquidos o gases, tienen masa y ocupan un volumen en el espacio.

Masa: Es una medida de la cantidad de materia que tiene un cuerpo. No depende de las condiciones en que se encuentra un cuerpo (altura, temperatura, etc.). Se mide con las balanzas y se expresa en kilogramos (kg).

Volumen: Es el lugar que ocupa un cuerpo en el espacio. Puede variar según las condiciones en que se encuentre ese cuerpo. Por ejemplo, los gases tienen volumen variable que se altera con la temperatura y la presión. Se mide con probetas, pipetas, vasos de precipitados, buretas y se expresa en litros (l) y en metros cúbicos (m³).

La relación entre estas dos propiedades de la materia la llamamos DENSIDAD.

¿Qué es la densidad?

La densidad se define como la proporción de la masa de un objeto entre el peso de su volumen. Formalmente es p=densidad, m=masa y V=volumen, por lo tanto

Cada elemento tiene una densidad única basada en su estructura molecular.

El acero tiene la misma densidad sin importar la cantidad que sea. Aunque dos cantidades del mismo elemento pueden tener diferentes tamaños y masas, tendrán la misma densidad. De manera similar, sin importar la masa o volumen que tengas de dos elementos diferentes, sus densidades siempre serán diferentes.

El principio de Arquímedes.

La famosa historia detrás del principio de Arquímedes es que en el siglo III a.C., el orfebre responsable de hacer las coronas del rey de Siracusa (ahora Sicilia) era sospechoso de usar una aleación de oro con plata para hacer las coronas, y así quedarse con un poco de oro. En esa época no había una forma confiable de probar las acusaciones sin destrozar la corona, hasta que Arquímedes un día se dio cuenta en un baño público de cómo el agua subía y bajaba cuando entraba a la bañera. Se hizo conocido que Arquímedes salió de la bañera y corrió por las calles desnudo gritando «¡Eureka! ¡Eureka!» o «¡Lo he encontrado!». Al colocar la corona en el agua, podía observar el volumen de agua desplazada, dividió la masa de la corona entre ese número y encontró la densidad. Para entonces se conocía la densidad del oro, así que pudo verificar la autenticidad de la corona. Posterior a esto Arquímedes formuló un enunciado que es conocido como “El principio de Arquímedes”.

Se ha observado que un centímetro cúbico (1 cm3) de plomo tiene mayor masa que un centímetro cúbico de aluminio o de un centímetro cúbico de agua. En realidad, se necesitan aproximadamente 4 cm3 de aluminio y más de 11 cm3 de agua para equilibrar en la balanza a 1 cm3 de plomo. Esto demuestra que existen sustancias que son más densas que otras; es decir, tomando volúmenes iguales de diferentes sustancias, se encuentra que algunas tienen más masa que otras.

La densidad de una sustancia o de un material muchas veces caracteriza al material y en el caso de sustancias puras, a menudo sirve para identificar de qué sustancia se trata, pero debe tenerse presente que en algunos casos muy puntuales hay sustancias que tienen la misma densidad o muy parecidas.

La densidad del agua es 1.000 kg / m 3. Todo cuerpo con densidad menor a ésta, flota en el agua  (basta que la densidad del cuerpo sea menor que la densidad del agua para que el cuerpo flote). Desde este punto de vista construir un barco de fierro es esencialmente construir un cuerpo de fierro que tenga una densidad menor que la densidad del agua en que debe flotar.

Forzosamente el barco debe ser un cuerpo hueco, ya que sólo así el cociente masa / volumen puede hacerse menor que 1.000 kg / m 3.

De acuerdo a la expresión matemática, la densidad depende de la cantidad de materia (masa) que se tenga y del volumen que ocupe. Mientras mayor sea la masa del cuerpo, mayor será su densidad y viceversa (son variables directamente proporcionales); mientras mayor sea el volumen que ocupe el cuerpo, menor será su densidad y viceversa (son variables inversamente proporcionales).

Flotabilidad o ligereza.

Cuando Arquímedes se sumergió en la piscina, no sólo notó que el agua se desparramaba, sino que notó algo que hacemos cuando nadamos, se sintió más liviano. La habilidad de un objeto de ‘flotar’ cuando está en un fluido se llama fuerza ligera, y está relacionada con la densidad. Si un objeto es menos denso que el fluido donde está sumergido, él ‘flotará’ en el fluido. Pero si es más denso que el fluido se ‘hundirá’.

Este concepto explica por qué algunos objetos flotan en el agua y otros se hunden. Por ejemplo, la madera flota en el agua porque es menos densa, en cambio el acero se hunde porque es más denso que el agua.

Superposición.

¿Ha notado lo que le pasa a una botella de aliño hecho de aceite y vinagre cuando se queda en reposo después de que ha sido movida? El aceite sube y el vinagre se queda en el fondo de la botella. Esto pasa porque el aceite es menos denso que el vinagre. Cuando materias de densidades diferentes entran en contacto, sus densidades determinan cómo se ordenan. Este fenómeno, donde las materias se acomodan de acuerdo a sus densidades se llama superposición.

Otro factor que puede afectar la densidad de la materia es la temperatura. Muchos materiales se expanden cuando son calentados. Ya que los materiales que se expanden ocupan un volumen mayor, su densidad disminuye. Este hecho ocurre más comúnmente con gases y algunos líquidos y explica cómo funcionan los globos de aire caliente. Cuando el aire dentro del globo se calienta, este se expande y su densidad disminuye.  El globo adquiere ligereza positiva con respecto al aire frío que lo rodea y flota en el aire.

También la exposición al frio genera  cambios en la densidad de la materia, por ejemplo, la densidad del agua congelada es menor y lo podemos constatar porque el hielo siempre flota en el agua.

El densímetro

El densímetro es un material de laboratorio que sirve para calcular la densidad relativa de líquidos.

La densidad relativa (Dr) es la densidad de un líquido tomando como referencia la densidad del agua (1 g/ml). Por ejemplo, si la densidad del alcohol etílico es 0,78 g / mL , ¿Cuál será su densidad relativa?

¿Qué forma tiene el densímetro?

El densímetro tiene la forma de un cilindro hueco con un bulbo pesado en su extremo, esto hace que pueda flotar en posición vertical. Generalmente el densímetro es de vidrio.

¿Cómo se usa el densímetro?

El densímetro se hunde más en los líquidos que tengan mayor densidad.

Ejemplo: Si la densidad del aceite es 1,8 g/ml y la densidad del agua es 1 g/ml. ¿En cuál de los dos líquidos el densímetro se hundirá más?

Al ser el aceite más pesado, será en este líquido donde el densímetro se hunda más.

Aplicaciones en la vida diaria.

El conocer y comprender el concepto de densidad es muy útil en muchos aspectos de nuestra vida y entorno, además de la construcción de barcos y submarinos, tiene muchas otras  aplicaciones en diferentes áreas.

Estos son algunos ejemplos.

Ingeniería.

En un barco la densidad actúa mediante el principio de Arquímedes, llenando volumen con aire, que es menos denso que el agua permitiendo de esta forma que pueda flotar.

Medicina.

El concepto de densidad está relacionado con la medicina.

Medir la densidad de la orina puede detectar problemas relacionados con la excreción de determinadas substancias del cuerpo que no se hallan habitualmente en la orina de individuos sanos.

Medir la densidad de todo el cuerpo de una persona ayuda a los médicos a averiguar la grasa total del cuerpo del paciente. La grasa es menos densa que el músculo, así que si dos personas pesan lo mismo, pero uno tienen mayor volumen corporal que la otra, esa persona tiene una relación grasa-musculo más elevada. A esto los médicos le llaman Índice de Masa Corporal o IMC.

Clima.

En el área climatológica es muy útil para determinar los cambios de clima y sobre todo fenómenos climatológicos como huracanes, tornados, frentes fríos, etc.

Por ejemplo; cuando la temperatura sube, el aire se vuelve menos denso y sube, lo que es conocido como sistema de presión baja.

Cuando la temperatura baja, el aire se vuelve más denso y es conocido como sistema de alta presión. Esto ayuda a predecir las corrientes de aire y se aplica principalmente para saber que intensidad puede tener un huracán por ejemplo.

Industria.

En las diferentes ramas de la industria tiene muchas aplicaciones y tiene gran importancia para controlar la calidad de los productos que se elaboran, has notado por ejemplo que hay muchos tipos de aceites y esto es porque cada motor trabaja de manera óptima con un aceite específico y la principal diferencia entre ellos es su densidad.

También es útil en la industria alimenticia y farmacéutica para saber la concentración correcta que debe tener cada producto y eso se puede medir como densidad.

Otro aspecto son los cambios de fase, es decir cuando el cambio de temperatura es lo suficientemente significativo, una sustancia puede cambiar del estado sólido a líquido o gaseoso, o condensarse de un gas a un líquido o sólido y esto debe ser medido y controlado para cada proceso, de igual forma para saber de que forma se comportará un compuesto si es sometido a un cambio de temperatura.

Seguridad.

Cuando la temperatura se incrementa, los objetos se expanden y se vuelven más grandes, por lo tanto la densidad decrece. Cuando la temperatura decrece, los objetos se condensan y se vuelven más pequeños, entonces la densidad incrementa. En estos casos medir los cambios en la densidad de un líquido o un gas ayuda a evitar que un tanque explote.

Objetivo

Conocer la razón por la que algunos líquidos no se mezclan.

Saber como esta propiedad de la materia nos ayuda en nuestra vida cotidiana.

Justificación

Un día fui al centro comercial y vi una “lámpara de lava”. La llamaban así porque tenía dos líquidos que no se mezclaban y con la luz y el movimiento parecía de fuego, al no saber por que no se mezclaban, me interesó el tema y lo propuse para hacerlo para mi proyecto de ciencias.

Por eso me puse a investigar y aprendí que la responsable de este fenómeno es la densidad, que hace que un líquido flote sobre otro, como sucede con el agua y el aceite.

Hipótesis

Si doy a conocer lo que es la densidad de los líquidos, entonces podré explicar por qué algunos líquidos no se juntan y que utilidad tiene este fenómeno.

Método (materiales y procedimiento)

Para comprender mejor lo que es la densidad de los líquidos, realicé dos experimentos.

EXPERIMENTO 1

El primero tiene que ver con la superposición y el objetivo fue demostrar cómo los líquidos se acomodan de acuerdo a su densidad.

Para este experimento utilicé los siguientes materiales.

• Un recipiente alargado de cristal
• 10 ml de miel de abeja
• 10 ml de agua
• 10 ml de lava trastes líquido
• 10 ml de alcohol
• 10 ml de aceite vegetal
• 10 ml de jarabe de maíz (miel karo)
• 10 ml de glicerina

Procedimiento:

Fuí poniendo cada uno de los líquidos en el recipiente de cristal de acuerdo a su densidad aparente, cuidando que no se mezclaran entre ellos. A la glicerina le agregé un poco de colorante para poder diferenciarla.

1. Miel de abeja
2. Jarabe de maíz (miel karo)
3. Glicerina
4. Lavatrastes
5. Agua
6. Aceite vegetal
7. Alcohol

Resultado:

El resultado final del experimento fue una torre de colores muy bonita y sucedió un fenómeno muy curioso con el alcohol y el aceite, porque parecía como si el alcohol formara una capsula alrededor del aceite, y esto es porque el aceite vegetal y el alcohol tienen densidades muy similares, 0.91 g/ml y 0.89 g/ml respectivamente.

EXPERIMENTO 2

El segundo experimento fue la elaboración de un densímetro casero.

El objetivo fue construir un instrumento para medir los cambios de densidad de un líquido en su estado puro y al mezclarlo con otra sustancia.

Este es el material que utilicé:

• Un popote
• Plastilina
• Dos vasos de plástico
• Una regla graduada
• Un marcador
• Sal
• Una cuchara

Procedimiento:

1. Con el marcador hice marcas en el popote con distancia de un centímetro ayudándome con la regla.
2.  A continuación sellé un lado del popote con un poco de plastilina
3. Ahora tenemos un densímetro
4. Llené los dos vasos con agua simple, al mismo nivel
5. En uno de los dos vasos agregué dos cucharadas de sal y lo revolví hasta disolverlo.
6. Introduje el densímetro en cada uno de los vasos y observé que sucedía.

Densímetro en agua simple

Densímetro en agua salada

 Resultado:

Al introducir mi densímetro en el vaso con agua simple se sumergió hasta cierto nivel, pero al sumergirlo en el agua con sal, el nivel al que se sumergió fue menor al del agua simple.

Esto se debe a que el agua salada es mucho más densa que el agua simple y por eso los cuerpos flotan con más facilidad en ella.

Galería Método

Resultados

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

La densidad no es ni el volumen ni el peso.

Lo que es la densidad es que tan compacta es una cosa y esa propiedad es la que hace que cualquier materia se hunda o flote.

La densidad es la que provoca que algunos líquidos no se mezclen ya que la diferencia de densidades hace que el menos denso flote sobre el más denso.

La densidad puede usarse en distintas cosas, como los barcos, la medicina, la industria, el clima, el hogar y la seguridad.

Bibliografía

Libros

Martha Marie Day, Ed.D., Anthony Carpi, Ph.D. “Densidad” Visionlearning Vol. SCI-1 (4), 2002.

Internet

http://www.visionlearning.com/es/library/Ciencias-Generales/3/Densidad/37/resources

http://www.activewild.com/density-for-kids/

http://html.rincondelvago.com/propiedades-fisicas-de-la-materia.html

http://www.pps.k12.or.us/district/depts/edmedia/videoteca/curso1/htmlb/SEC_119.HTM

http://www.ehowenespanol.com/densidad-propiedad-fisica-importante-info_195978/

http://www.instrumentosdelaboratorio.net/2014/02/densimetro.html

http://es.slideshare.net/noheding/densidad-de-liquidos-48553930

http://the-science-mom.com/875/density-a-simple-explanation/

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

To know the reason due some liquids do not mixed

To learn how this property of matter can help us in our daily life

Justification

One day I went to the shopping center and saw a “lamp of lava”. They were calling her like that because it had two liquids that were not mixed by the light and the movement parecìa of fire, on not having known why they were not mixed, I’m interested in  the topic and I proposed it to do for my sciences project.

That’s why I started investigating and I learned that the people in charge of this phenomenon is the thickness, which makes a liquid float to  another, as it happens with the water and the oil.

Hypothesis

If I give to know what a liquids density is, then I can explain why some liquids do not mixed and how useful this phenomenon is

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography