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INTRODUCCIÓN
En el siguiente trabajo de laboratorio se va a trabajar de manera experimental para el
cálculo experimental de viscosidad para el etanol la viscosidad es una propiedad física
de los líquidos y gases. La viscosidad es la resistencia de los líquidos y gases al
escurrimiento, el cual se va a calcular con el viscosímetro para diferentes
temperaturas y en el cual es muy notorio que la viscosidad y la temperatura son
inversamente proporcionales. Para el cambio de temperatura se va a realizar el baño
de maría a diferentes temperaturas (20, 30,40 grados centígrados).
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OBJETIVOS
Determinar la viscosidad de líquidos mediante el viscosímetro de Ostwald
usando datos de densidad teórica a las temperaturas de trabajo.
FUNDAMENTO TEORICO
VISCOSIDAD.
Se llama viscosidad o frotamiento interno, a la resistencia experimentada por una
porción de un líquido cuando se desliza sobre otra. Aun cuando la viscosidad es una de
las propiedades generales de la materia, se manifiesta de un modo especial en los
líquidos. La viscosidad depende del estado físico de los cuerpos, pues mientras que en
los gases es muy pequeña, en lo sólidos alcanza; su valor máxima. El valor de la
viscosidad varía ampliamente en los líquidos, desde algunos líquidos como el éter
etílico que corren fácilmente, hasta otros como el alquitrán y los aceites pesados que son
extremadamente viscosos.
Consideramos dos capas liquidas teniendo cada una un área de “A” cm2 y separadas por
una distancia de “ι“cm. Al suponer que la capa superior esta moviéndose en dirección
paralela a la capa inferior y con una velocidad de “v” cm/seg relativa a la capa de bajo,
pues si el flujo fuera perfecto, es decir sin atracciones, la velocidad se mantendría
constante en el valor de "v", sin gasto extra de energía. No obstante, para un fluido real
se requiere una fuerza de “F” dinas, aplicada permanentemente para mantener la
velocidad “v”. se ha encontrado experimentalmente que esta fuera “F” e inversamente
proporcional a la distancia “ι”. O sea que.
F=η . vAι
Donde η (eta) es una constante de proporcionalidad, es el llamado coeficiente de
viscosidad.
La ecuación nos va a servir para definir la unidad de viscosidad, pues despejando
η tenemos que
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F=η . ι Fι . t
y conociendo las dimensiones de las unidades derivadas A = F = m.ι.t---2, al sustituir
estas dimensiones en la ecuación y cancelar las comunes en el numerador y en el
denominador, se encuentra que las dimensiones de la viscosidad son
Viscosidad = mι. t
En el sistema C.G.S. la mudad de viscosidad se define como g.cm -1.S-1. A esta unidad se
le conoce con el nombre poise, en honor de POISEUILLE, quien inició el estudio
científico de la viscosidad. Desde que el poise es bastante grande, la viscosidad de un
gas se expresa en micro poise o 102 poise, mientras que la viscosidad de un líquido se
mide en cent poise (cp) = 10-2 poise o sino en milipoise = 10-3 poise. En los líquidos se
acostumbra expresar las viscosidades relativas a la del agua a 20°C, pero como ésta es
de 0.0100 poise, da origen a que la llamada viscosidad relativa sea numéricamente la
misma como la viscosidad absoluta del líquido en consideración expresada en
centipoises. En el Sistema Internacional la unidad de viscosidad es kg.m-1s-1 = 10 poises
= 1000 cent poises. Los coeficientes de viscosidad de los líquidos en unidades SI se
expresan en 10-3 kg.m-1.s-1, dando los mismos números que formulados en centipoises.
El volumen de un líquido que fluye por el interior de un tubo, en la unidad de tiempo y
bajo una presión dada, varia ampliamente con la naturaleza del líquido, con la
temperatura y con el tipo de flujo, sea en línea recta o turbulenta. Se entiende por flujo
en línea recta, llamado también laminar o viscoso, cuando las moléculas de las capas
líquidas se mueven paralelas a las paredes del tubo. Se presenta en los líquidos que se
trasladan por tubos de diámetros pequeños y a velocidades bajas. En este tipo de flujo la
propiedad del líquido que gobierna su velocidad es la viscosidad es la viscosidad. A
más altas velocidades del flujo cambio otro en remolinos, que se llama flujo turbulento
y el cual es de tratamiento difícil. Las ecuaciones que vamos a desarrollar en seguida
para experiencias de laboratorio, se amplía el flujo en línea recta.
Un instrumento para medir viscosidad recibe el nombre de viscosímetro. La viscosidad
de un líquido se mide generalmente el tiempo requerido para que un volumen dado del
mismo se escurra por un tubo capilar de dimensiones definidas y bajo una diferencia
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de presión conocida. Este viscosímetro se conoce con el nombre de viscosímetro de
OSWALD.
La Ley a la cual obedece el fenómeno de descubrimiento de un líquido a través de un
tubo capilar, fue descubierta en 1841 por POISEUILLE, expresándose mediante la
ecuación siguiente:
η=P π r4 t
8 v . ι
Donde “v” significa el volumen del líquido de viscosidad “η” escurriéndose a través de
un tubo capilar de longitud “ι” y radio “r”, en el tiempo “t” y bajo la diferencia de
presión “P”.
El viscosímetro de Oswaldo consiste en un tubo en forma de “U”, una de cuyas ramas
posee en su parte superior un bulbo “A” con dos señales “a” y “b”. por debajo de esta
ensanchamiento se prolonga el tubo en forma capilar “B” y luego se ensancha de nuevo
formando en la otra rama el deposito esférico “C”, el cual se llena del líquido cuya
viscosidad se quiere determinar. Una vez que “C” en el cual se llena el líquido, se
presiona a éste insuflando aire por la boca de dicha rama vertical, mediante una pera de
goma, hacer subir la superficie del líquido por la otra rama estrecha a la señal “a”.
Entones, estando sumergido el viscosímetro en un baño de temperatura constante se
destapa la rama ancha y mediante un cronometro se anota en tiempo que tarda en
menisco del líquido para pasar de la señal “a” a la “b”.
La medida se repite con otro líquido cuya viscosidad se conoce, y refiriéndose a la
ecuación, desde que el mis ni o viscosímetro .so usa para los dos líquidos, el volumen
"V" es idéntico, lo mismo que el radio ''r" y la Longitud " I" del tubo capilar. La presión
"P" no es la misma, pe se a la presión atmosférica constante, desde que además depende
de la presión hidrostática del líquido, la cual para alturas idénticas de los dos líquidos
depende únicamente cié sus densidades en forma directamente proporcional, por lo que
sustituimos las presiones de los dos líquidos por sus respectivas densidades. Aplicando
entonces la ecuación para los dos líquidos y dividiendo la primera por la segunda
resulta.
η1η2
=p1 .t 1p2 .t 2
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Si se toma como -líquido tipo un líquido de viscosidad conocida, se puede utilizar la
ecuación para calcular la llamada viscosidad relativa de otros líquidos. Se acepta
generalmente el agua como líquido de referencia en la determinación de las
viscosidades relativas. Así, η1, p1 y t1, son la viscosidad, densidad y tiempo de
escurrimiento del líquido que se investida; I y t. son la viscosidad tipo, la densidad y el
tiempo de escurrimiento del aire. Haciendo estas simplificaciones en la acción .Las
viscosidades relativas se pueden transformar en viscosidades absolutas multiplicando a
las viscosidades relativas halladas por la viscosidad absoluta del agua a la misma
temperatura.
En los líquidos poco viscosas .se determina su viscosidad mediante el viscosímetro de
Ostwald, según la Ley de POISEUILLE. Otra ley que sirve para medir viscosidades es
la Ley de STOKES, la cual establece una relación entre la fuerza actuante obre una
esfera de radio conocido que cae con una velocidad determinada por un fluido 'cuya
viscosidad se desea conocer. Esta ley proporciona un método mejor que el del tubo
capilar para medir las viscosidades altas de los aceites pesados y en el control de la
fabricación de fibras artificiales. -Cuando el coeficiente de viscosidad varía según la
velocidad del flujo, se dice que el fluido posee un comportamiento no newtoniano,
fenómeno que se presenta en los temas coloidales,
La viscosidad de la mezcla es menor ponentes, por ejemplo, la mezcla de
La viscosidad de los gases aumenta al aumentar la temperatura; en cambio, la
viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Como a temperaturas
altas, las moléculas de un líquido poseen mayor energía cinética, el líquido puede fluir
más fácilmente. La viscosidad de un gas es prácticamente independiente de la presión;
en cambio, la viscosidad de un líquido aumenta al aumentar la presión.
La comparación de la viscosidad versus la temperatura se da en la Para el agua, la
disminución por grado centígrado es cerca de 2% de la viscosidad a 0°C. A más grandes
temperaturas que los límites de la figura, se muestra que la variación está muy leja; de
ser lineal.
La dependencia entre la viscosidad y la temperatura obedece a una ecuación de la forma
siguiente:
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Log η=AT
+B
Donde A y B son constantes para un líquido dado.
Viscosidad absoluta (η).- Fuerza por unidad de área necesaria para mantener un
gradiente de velocidad entre los planos separados por una distancia unitaria. Se expresa
en poises: g.cm-1s-1
η = t/(dv/dx)
Viscosidad cinemática (D).- es la velocidad absoluta dividida entre la densidad del
líquido. Se expresa en stocks: cm2.s-1.
D = η/p
Fluidez (tp).- se defina como la inversa de la viscosidad absoluta. Se expresa en rhes: g -
1.cm.s
φ = 1/η
Viscosidad relativa (η rel). Se defina como la relación entre la viscosidad de la
sustancia y un líquido de referencia (Agua). No tiene unidades.
ηrel = ηsust./ηref
DETALLES EXPERIMENTALES.
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MATERIALES.
Viscosímetro de Ostwald
Recipiente para baño de temperatura(Termostato)
Una pipeta de 10 ml
Un vaso de 100ml
Mechero bunsen
Una bombilla de jebe.
REACTIVOS.
Agua
Etanol.
PROCEDIMIENTO:
Medición de la viscosidad de líquidos con el viscosímetro Oswald.
a) Lave el viscosímetro con solución solfucrómica o detergente. Enjuague con agua
de caño y finalmente con agua destilada luego saque en la estufa.
b) Midiendo con una pipeta coloque destilada en el viscosímetro en cantidad
suficiente como para llenar bulbo B1.
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c) Coloque el viscosímetro en un baño de temperatura constante T1ºC y déjalo unos
3 minutos para que adquiera la temperatura del baño. El baño deberá cubrir el
bulbo B2.
d) Coloque una bombilla de jebe en el extremo del viscosímetro para hacer subir el
líquido en el bulbo B2.
e) Mida el tiempo que demora el líquido en el Bulbo B2.
f) Efectué al menos dos mediciones para cada temperatura.
g) Limpie y seque bien el viscosímetro poniéndolo en una estufa a 110ºC.
h) Realice los pasos indicados anteriormente con la muestra problema y/o la solución
dada, empleado volumen de muestra igual al del agua usado en b.
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CALCULOS Y RESULTADOS.
1.-Con los datos teóricos de las densidades de las posibles muestras determine
las densidades de estas a la temperatura de trabajo.
Densidad teórica del H2O.
ρH 5O
20 ºC =0 ,9982323gm1
ρH 5O
30 ºC =0 ,99596756gm1
ρH 5O
40ºC =0 ,9922455gm1
Para hallar las densidades teóricas del C2H5OH.usamos
Densidad teórica del C2H5OH.
1. T = 20ºC
ρC2H 5OH
20 ºC=To =0 ,7893gm1
2. T = 30ºC
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ρC2H 5OH30 ºC =
ρC2H
5OH
20 ºC=To
1−β (To−Tx ) , ρC2H 5OH
20 ºC=To =0 ,7893gm1
Donde:
β : Coeficiente de dilatación cubica del C2H5OH.
β=0 ,00112 ºC−1
ρC2H 5OH30 ºC=To =
(0 ,7893 )1−0 ,00112(20−30 )
→ ρC2H5OH
30 ºC =0 ,7902gm 1
3. T = 40ºC
ρC2H 5OH40ºC =
ρC2H
5OH
30 ºC=To
1−β (To−Tx )
ρC2H 5OH40ºC=To =
(0 ,7902 )1−0 ,00112(20−40 )
ρC2H 5OH
40ºC =0 ,7910gm1
2.-Usando la ecuación respectiva determine la viscosidad (cp) de la muestra
problema a todas las temperaturas. Usando las viscosidades teóricos del
agua como referencia.
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1. 1-Por definición, se sabe.
ηC2H 5OH20 ºC
ηH5O20ºC =
ρC2H5OH20 ºC ¿ tC2H5OH
ρH5O20ºC ¿ tH2O
Luego:
ηH 5O
20 ºC =1 ,002cp
ρC2H 5OH
20 ºC=To =0 ,7893gm1
tC2H 5OH
=318 ,00
tH 2O
=385 ,20
ηC2H 5OH20 ºC =
(0 ,7893 )(318 )(1 ,002)(0 ,9982323 )(385 ,20 )
ηC2H 5OH
20 ºC =0 . 654062cp
1.2- Por definición, se sabe.
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ηC2H 5OH30 ºC
ηH2OH30ºC =
ρC2H5OH30 ºC ¿ tC2H5OH
ρH2OH30 ºC ¿ tH2O
Luego:
ηH 2OH
30 ºC =0 ,8007 cp
tC2H 5OH
=250 ,20 s
tH 2O
=331,80 s
ρH 2OH
30 ºC =0 ,99596756gm 1
ηC2H 5OH
30 ºC =(0 ,7902)(250 ,20 )(0 ,8007)
(0 ,99596756 )(331 ,80)
→ηC2H5OH30 ºC =0 ,479041cp
1. 3-Por definición, se sabe.
ηC2H 5OH40 ºC
ηH2O40ºC =
ρC2H5OH40 ºC ¿ tC2H5OH
ρH2O40ºC ¿ tH2O
Luego:
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ηH 2O40ºC =0 ,6560cp
ρH 2O40ºC =0 ,9922455
gm1
tC2H 5OH=201 ,60 s
tH 2O=327 ,60 s
ηC2H 5OH40ºC =
(0 ,7910 )(201 ,60 )(0 ,6560)(0 ,9922455 )(327 ,60)
→ηC2H5OH40 ºC =0 ,321816cp
3.-Determine analítica o gráficamente las viscosidades teóricas de la muestra
problema.
VISCOSIDAD EXPERIMENTAL
Viscosidad (n) T °C0.654062 200.479041 300.321816 40
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Viscosidad del Etanol (C2H5OH).
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VISCOSIDAD
TEORICA
Viscosidad (n)1.2001.0050.839
4.-Grafique (η) abs vs 1/T para la muestra. Analice la gráfica.
T °C T °k 1/T Viscosidad (n) Log(n)
20 293 0.003413 0.654062 0.1843811
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15 20 25 30 35 40 450
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
TºC
Visc
osid
ad (n
)
15 20 25 30 35 40 450.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
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30 303 0.003300 0.479041 0.3196273
40 313 0.003195 0.321816 0.4923924
DISCUSION DE RESULTADOS
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0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6Log(n) vs ...
1/T
Log
(n)
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La viscosidad experimental del Etanol a 20º C es 0.65 cp se aproxima al
teórico que es 1,200 cp debido al error experimental y condiciones
ambientales de trabajo.
La viscosidad experimental del Etanol a 30º C es 0.479cp se aproxima al
teórico que es 1,005 cp debido al error experimental y condiciones
ambientales de trabajo.
La viscosidad experimental del Etanol a 40º C es 0.3218cp se aproxima al
teórico que es 0,839 cp debido al error experimental y condiciones
ambientales de trabajo.
CONCLUSIÓN
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Densidad del C2H5OH a 20ºC = ρC2H 5OH
20 ºC=To =0 ,7893gm1
Viscosidad del C2H5OH a 20º C = 0.654062cp.
Densidad del C2H5OH a 30º C = ρC2H 5OH
30 ºC =0 ,7902gm1
Viscosidad del C2H5OH a 30º C = 0.479cp.
Densidad del C2H5OH a 40º C = ρC2H 5OH
40ºC =0 ,7910gm1
Viscosidad del C2H5OH a 40º C = 0.3218cp.
RECOMENDACIÓN
Al momento de trabajar con el viscosímetro hay que tener mucho cuidado porque
es un material frágil y de un costo muy elevado.
Asegurarse que el viscosímetro este seco antes de trabajar.
Anotar los resultados del experimento.
Trabajar según los procedimientos de la guía del laboratorio.
BIBLIOGRAFIAS.
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SAMUEL H. MARON; fundamentos de fisicoquímica, ed. limusa, pág. 56,
221,283.
REID, Robert C y SHERWOOD, Thomas K. propiedades de los gases y
líquidos. Unión tipográfica editorial hispano-americana. México.1968.
Marrón y Pruton, Fundamentos de Fisicoquímica, decimoquinta reimpresión
1984 Ediciones Limusa México – 1984.
Fárrington Daniels Fisicoquímica Edición: Cuarta Páginas: 146, 167, 193,
709 Editorial: Continental S.A. 980 España.
Pons Muzzo Gastón “Fisicoquímica” 6ta Edición Ed. Universo, Lima, 1985.
Fluid Mechanics, London – Lifahitz. Pergamon Press. Addison – Wesley,
1959.
ANEXOS
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1.-Que limitaciones tiene el método del flujo capilar.
El volumen de un líquido que fluye por el interior de un tubo, en la unidad de tiempo y
bajo una presión dada, varia ampliamente con la naturaleza del líquido, con la
temperatura y con el tipo de flujo, sea en línea recta o turbulenta. Se entiende por flujo
en línea recta, llamado también laminar o viscoso, cuando las moléculas de las capas
líquidas se mueven paralelas a las paredes del tubo. Se presenta en los líquidos que se
trasladan por tubos de diámetros pequeños y a velocidades bajas. En este tipo de flujo
la propiedad del líquido que gobierna su velocidad es la viscosidad es la viscosidad. A
más altas velocidades del flujo cambio otro en remolinos, que se llama flujo turbulento
y el cual es de tratamiento difícil.
2.-Que otros métodos para medir viscosidad conoce usted explique brevemente.
Método:
El método del picnómetro
es uno de los más sencillos y prácticos para determinar densidades. El
picnómetro es un pequeño frasco de vidrio, cerrado por un tubo vertical de
diámetro pequeño, en la que hay marcada una señal de enrase, para disponer
de un volumen constante.
1. Se pesa el picnómetro vacío, asegurándose que este bien limpio y seco.
Obteniéndose m1.
2. Se pesa el picnómetro lleno de agua destilada. Obteniéndose m2.
3. Se pesa el picnómetro lleno del líquido problema. Obteniéndose m3.
Cuando se habla de picnómetro lleno, quiere decir que esta enrasado adecuadamente.
Para facilitar el enrase puede utilizar trozos de papel toalla. El picnómetro debe estar
bien seco por fuera.
4. Obtenga la masa del líquido mediante la ecuación: ml = m3 – m1.
5. Obtenga la masa del agua destilada: ma = m2 – m1.
6. Obtenga la densidad relativa del líquido buscado:
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7. Anote la temperatura del agua y considere la densidad del agua para esta
temperatura:
8. Para obtener la densidad del líquido, multiplique la densidad relativa del líquido
problema por la densidad del agua:
Método:
BALANZA DE MOHR-WESTPHAL
La balanza de Mohr-Westphal consta de un pie fijo y dos brazos desiguales que se
apoyan en el eje del pie fijo. En un lado hay un contrapeso y una “aguja” que marcará
el equilibrio posteriormente si se alinea con la envoltura semicilíndrica, en la que hay
otra pequeña punta horizontal. En el lado opuesto hay un gancho para colgar un
inmersor: un tubo cerrado de vidrio que se debe sumergir en agua destilada para
calibrar la balanza. Una vez está completamente hundido, se debe regular el soporte
mediante una tuerca para que la balanza marque el equilibrio (las puntas del lado
izquierdo alineadas), habiendo colocado previamente un reiter S del gancho. El reiter S
contrarresta exactamente el empuje que aparece al sumergir el inmersor en el agua.
Los reiters servirán para ajustar la densidad relativa de otro líquido hasta 4 posiciones
decimales. Uno de los cuatro reiters es igual al S,y los tres restantes pesan 1/10 del
anterior. El método es el siguiente: Los reiters se van colocando a lo largo del brazo de
cuyo extremo pende un reiter S y el inmersor. En dicho brazo hay marcadas 10
muescas separadas un mismo intervalo. Por tanto, se cumple que el momento de las
fuerzas en ambos lados debe ser equivalente en caso de que haya un equilibrio y las
agujas estén alineadas. Para alcanzar este equilibrio se van añadiendo reiters sobre el
brazo con las muescas (numeradas del 1 al 9) y variando la distancia para ir
acercándose cada vez más al equilibrio. Si la densidad del líquido es menor que la del
agua, habrá que quitar el reiter S del gancho e ir situando de igual manera los
restantes. En el equilibrio, por tanto, el par de empuje será igual al par de los jinetillos
(reiters), con lo que el par de empuje: P = A(1+ 0,1a + 0,01b + 0.001c + 0.0001d) = A
´1.abcd [1], siendo A el peso del jinetillo más grande (S), y a, b, c y d las distancias
desde el eje hasta la muesca donde se sitúa cada jinetillo. Por ello, cuanto más
pequeño sea el jinetillo, obtendremos una precisión mayor (posición decimal más a la
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derecha) y la distancia al eje (inscrita en las muescas) nos dirá la cifra en dicha
posición.Como se ha calibrado la báscula para que cuando haya sólo 1A esté
equilibrada, la densidad (relativa) será 1.0000. Esto es válido para el peso del agua
desalojada
por el inmerso. Al cambiar el líquido, el volumen desalojado será el mismo, pero la
densidad variará, con lo que:
que será la densidad relativa del líquido respecto al agua. Para obtener un valor
adecuado de la densidad del agua se deberá medir la temperatura e interpolar en
tablas para obtener el valor más preciso posible. Si el jinetillo A debe quitarse de la
posición en el gancho (en caso de que la densidad relativa sea menor, la fórmula será
la siguiente:
P = A(0,1a + 0,01b + 0.001c + 0.0001d) = A´0.abcd .
La densidad relativa:= A 0.abcd
Hay que señalar que, al sumergir el inmersor, se desprecia el volumen de hilo que está
sumergido. Lo que sí que hay que tener en cuenta es que, en todo momento de la
medida, no haya ninguna parte del inmersor fuera del agua (se descompensarían los
datos). También hay que tener en cuenta que el inmersor no debe tocar la pared ni el
fondo para que no existan fuerzas tangenciales que interfieran en la del empuje.
Es conveniente destacar que la balanza nos permite medir densidades relativas desde
0,0001 hasta 2,1110 al haber dos reiters S y poder situar todos los jinetillos en la
posición del gancho (a,b,c,d=10). Por tanto, esta balanza es útil para todas las
densidades menores que las del agua (teóricamente, si fuesen muy bajas, el método
tendría un error relativo grande), y para densidades hasta algo más de 2 veces la del
agua. Si quisiésemos medir densidades mayores, necesitaríamos más reiters.
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