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Balanza de agua: principios de flotación y medición de masas

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Respuesta rápida

  1. Opción b): sí se puede construir una balanza de agua que apoye la medición de ingredientes. 2.a: Sumergiendo el cuerpo; el volumen desplazado es igual al volumen del cuerpo. 2.b: Mido en kg cuando la masa es grande; para masas pequeñas uso gramos. 2.c: Se desplazan 1000 mL (1 L) de agua por cada kg medido. 2.d: Uso unos 20 mL de agua en el recipiente graduado (nivel inicial).
📚 exercise ciencias-naturales ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 5 min lectura

Solución — Página 151

Ciencia, Tecnología y Ambiente 1. Cuaderno de reforzamiento pedagógico - JEC · 2016

1
Ejercicio 1

Sobre construir una balanza de agua para medir masas (por ejemplo, ingredientes de cocina), considerando los cuerpos que flotan o se hunden en el agua.

Analizamos las opciones:

  • a) "Balanza de metal": no aprovecha el principio de flotación aprendido, así que no conecta con lo estudiado.
  • b) "Balanza con agua que apoye la medición de ingredientes": aprovecha el desplazamiento del agua (principio de Arquímedes) para medir masas, por lo que es coherente con el conocimiento adquirido.
  • c) "Se puede construir pero no se puede calibrar": es incorrecto, porque la calibración es posible usando cuerpos de masa conocida (por ejemplo, piedras de 1 g, 2 g, 3 g) que desplazan volúmenes conocidos de agua.
  • d) "No se puede elaborar porque las masas siempre se hunden": es falso; que un cuerpo se hunda no impide medirlo, pues de todos modos desplaza un volumen de agua igual a su propio volumen.

Respuesta

La opción correcta es b): sí se puede construir una balanza de agua y sirve para apoyar la medición de ingredientes en la cocina.

2
Ejercicio 2

A partir de la experiencia de Arquímedes (una piedra sumergida desplaza 3 mL de agua, lo que equivale a un peso de 3 g), respondemos las preguntas del diseño de una balanza de agua.

a
Parte 2.a

¿Cómo desplazaré el agua en el prototipo de balanza de agua?

  1. Coloco el agua en un recipiente transparente (matraz, vaso o tubo graduado).
  2. Anoto el nivel inicial del agua (por ejemplo, 20 mL, como en la figura).
  3. Sumergo el cuerpo cuya masa quiero medir (por ejemplo, una piedra).
  4. El cuerpo ocupa un lugar en el agua y empuja hacia afuera un volumen de líquido igual a su propio volumen: el nivel del agua sube.
  5. Noto el nivel final y calculo el volumen desplazado: V_{\text{desplazado}} = V_{\text{final}} - V_{\text{inicial}}.

Respuesta orientativa: El agua se desplaza sumergiendo el cuerpo en el recipiente; el volumen desplazado es igual al volumen del cuerpo sumergido.

b
Parte 2.b

¿Cuándo debo medir en kg la masa?

  1. El gramo (g) se usa para masas pequeñas, como ingredientes de cocina (3 g, 50 g, etc.).
  2. El kilogramo (kg) se usa para masas grandes: 1 \, \text{kg} = 1000 \, \text{g}.
  3. En una balanza de agua casera, medir en kg sería incómodo: requeriría desplazar 1000 mL (1 litro) por cada kilogramo, y el recipiente debería ser enorme.

Respuesta orientativa: Debo medir en kilogramos solo cuando la masa es grande (del orden de kilogramos); para masas pequeñas conviene usar gramos.

c
Parte 2.c

¿Cómo se desplazará el agua al medir la masa de un cuerpo en kg en un prototipo de balanza de agua?

  1. Para medir 1 \, \text{kg} en una balanza de agua, el cuerpo sumergido debe desplazar un volumen de agua que pese 1 \, \text{kg}.
  2. Como la densidad del agua es \rho = 1 \, \text{g/cm}^{3} = 1000 \, \text{kg/m}^{3}, entonces 1 \, \text{kg} de agua tiene un volumen de V = \frac{m}{\rho} = \frac{1 \, \text{kg}}{1000 \, \text{kg/m}^{3}} = 0{,}001 \, \text{m}^{3} = 1 \, \text{L}.
  3. Por lo tanto, el agua se desplazará en gran cantidad: 1 litro (1000 mL) por cada kilogramo medido.
  4. En un prototipo casero esto es difícil de visualizar, lo que muestra que la balanza de agua es más práctica para masas pequeñas.

Respuesta orientativa: El agua se desplazará en un volumen muy grande: 1 litro (1000 mL) por cada kilogramo de masa medida.

d
Parte 2.d

¿Cuánto mediré de agua para el prototipo de balanza de agua?

  1. En la figura, el recipiente está lleno hasta los 20 \, \text{mL} (nivel inicial).
  2. Debo dejar un espacio libre (aire) en la parte superior del recipiente para que el agua desplazada al sumergir el cuerpo no se derrame.
  3. Como la piedra de prueba desplaza 3 \, \text{mL}, con dejar 20 \, \text{mL} de agua es suficiente para desplazar 3 \, \text{mL} sin derrames, y poder observar el cambio de nivel.

Respuesta orientativa: Mediré unos 20 \, \text{mL} de agua en el recipiente graduado (como en la figura), dejando espacio para que el agua desplazada no se derrame.


Resumen de respuestas:

  • 1: b)
  • 2.a: Sumergiendo el cuerpo; el volumen desplazado es igual al volumen del cuerpo.
  • 2.b: Cuando la masa es grande (del orden de kg); para masas pequeñas se usa gramos.
  • 2.c: Se desplazará 1 L (1000 mL) de agua por cada kg medido.
  • 2.d: Alrededor de 20 \, \text{mL} de agua en el recipiente graduado.
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📌 Antes de leer esto
  • • Unidades de masa (gramo, kilogramo) y volumen (mL, L)
  • • Relación masa-volumen y concepto de densidad
  • • Comportamiento de cuerpos al sumergirse en agua (flotan o se hunden)
Siguiente tema sugerido
Diseño y calibración de un prototipo de balanza de agua (actividad práctica)
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