Balanza hidrostática, son dispositivos que tienen sus antecedentes en épocas bastante antiguas, desde que el hombre requirió de un aparato que pudiese precisar el peso de algo, es decir, medir con relativa precisión la masa de un objeto determinado.
Este aparato se basa en el principio de la palanca, que consiste en transmitir desplazamiento y fuerza por medio de una barra o palanca rígida que se mantiene en equilibrio sobre un solo punto de apoyo llamado fulcro. A partir de este sencillo principio de una máquina simple, se puede usar para medir masas de cuerpos diferentes.
Las balanzas antiguas, no digitales por supuesto, era un dispositivo simple pero efectivo para efectos de la función que debía realizar;
esta consistía de una barra vertical con una especia de fulcro en la parte superior de la misma, sobre la cual reposaba una barra horizontal, de cuyos extremos colgaban platillos sujetos con cadenas, sobre los cuales se colocaría el objeto que se necesitaba pesar.
La cuestión suponía colocar un contrapeso en el platillo contrario, un contrapeso del cual se supiera con exactitud su masa, de manera que se pudieran hacer las comparaciones y los cálculos necesarios.
Cuando no se trataba de calcular el peso de algo sino obtener la cantidad de masa específica, por ejemplo, 100g de oro; se colocaba un contrapeso con esa masa, y en el otro platillo se pondría el oro necesario hasta que la barra quedara en equilibrio;
de esta forma se sabría que la cantidad de oro, correspondía exactamente a los 100 gramos requeridos.
A partir de ese primer modelo de balanza, se fueron introduciendo otros muy parecidos, aunque este no dejo de utilizarse en ningún momento, a tal punto en que aún hoy, las balanzas de palanca se utilizan en algunos lugares del mundo, generalmente donde el impacto tecnológico aún no ha sido tan marcado en este aspecto,
ya que fuera de eso, estas progresivamente han ido desapareciendo luego de la creación de balanzas digitales, las cuales son mucho más precisas y su margen de error es prácticamente nulo.
No obstante, existe una variación de esta balanza, llamada balanza hidrostática, la cual sirve para medir la masa del volumen de un objeto sumergido en un líquido o fluido.
Para comprender el funcionamiento de esta balanza, es necesario comprender el principio por el cual se rige, ya que esta no usa solo la palanca como único mecanismo para calcular la masa de un objeto, sino que incorpora otros elementos como el líquido o fluido en el cual se sumergirá la muestra que se desea calcular.
Se trata de una que busca demostrar empíricamente un principio físico denominado “Principio de Arquímedes”, llamado así en honor a su creador, el famoso inventor Arquímedes, autor del instrumento que conocemos como compás, el mismo que utilizamos frecuentemente cuando buscamos la forma de trazar círculos perfectos, y que fue utilizado por los navegantes para calcular distancias en el océano, como parte de los mecanismos que se utilizaban en la navegación manual.
El Principio de Arquímedes afirma que “Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de la masa del volumen del fluido que desaloja” fenómeno físico totalmente cierto y acertado, que se conoce en la actualidad como empuje hidrostático o empuje de Arquímedes, formulado a través de la siguiente ecuación: E = PeV= ρf g V
Este fenómeno es fácilmente demostrable, al colocar un objeto sólido en un recipiente con agua, que tenga el nivel del agua perfectamente medido e identificado; al sumergir el objeto notaremos como ese nivel aumenta, debido al volumen de agua que el objeto desplaza, el cual es equivalente a la misma de ese objeto.
Esta fuerza o empuje hidrostático se mide en newtons. De manera que esta balanza hidrostática, se utiliza entre otras cosas, principalmente para determinar de manera experimental este principio, de manera que puede medir la masa de los cuerpos que se encuentran sumergidos en un líquido y de la misma forma medir la densidad de estos cuerpos.
Balanza Hidrostática
La balanza hidrostática es en esencia una balanza tal como la conocemos, a la cual se le agregaron algunos otros elementos para comprobar otras medidas y otros elementos de la materia que se desea examinar. Se basa, como en el resto de balanzas de su tipo, en el principio de palanca, pero su función es la determinación del principio físico de Arquímedes, del cual acabamos de hablar en los párrafos anteriores.
Esta balanza se considera de precisión, a pesar de que es bastante rudimentaria en su construcción; consta de una barra vertical sobre la cual se apoya otra más corta de forma horizontal, en cuyos extremos se colocan los dos platillos para medir.
Hasta aquí no parece haber diferencia con el resto de las balanzas comunes, y de hecho es así, las diferencias radican en los siguientes elementos: debajo de cada platillo hay un pequeño ganchillo.
De uno de ellos se colgaran dos pequeños cilindros, el superior será uno hueco; en la base de este estará otro ganchillo del cual se suspenderá otro cilindro igual al anterior, pero en vez de hueco, este será macizo completamente.
En teoría, la balanza funciona de la siguiente manera: se añadirán pesas en el platillo contrario al que tiene los cilindros, de manera que la balanza vuelva a su estado de equilibrio.
Posteriormente se colocara debajo del platillo del cual cuelgan los cilindros, un recipiente con agua y se sumergirá el cilindro macizo hasta que esté en el nivel exacto en el cual está totalmente cubierto con agua pero sin cubrir al cilindro hueco.
Partiendo de que el principio de Arquímedes dice que todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje vertical hacia arriba equivalente al peso del líquido que desplaza; al sumergir el cilindro macizo se podrá observar que el platillo del que cuelgan los cilindros se eleva, señal clara que ha habido un empuje del líquido, una fuerza ascensional.
En este punto, la barra horizontal de la balanza estará desequilibrada por efectos del empuje del líquido sobre la masa del cilindro, por lo cual, para volver a equilibrarla, será necesario colocar progresivamente gotas de agua en el cilindro hueco hasta que este esté nuevamente en equilibrio.
Esto demuestra que, efectivamente el objeto desplaza la misma cantidad de líquido que el equivalente a su propio peso, pues al llenar con agua el cilindro hueco el cual es del mismo tamaño que el sumergido, la balanza volvió a estar en equilibrio.
En el siguiente gráfico veremos como se demuestra este principio usando otro método muy parecido al descrito anteriormente.
En la práctica, el cilindro que cuelga representa al objeto del cual se desea determinar su volumen, al sumergir este objeto, desplazará el platillo hacia arriba como consecuencia del empuje ascensional al aumentar el nivel del agua.
Esa cantidad de agua desplazada o lo que equivale al aumento de nivel de la misma, equivaldrá al peso del objeto sumergido, lo cual arrojará como resultado el volumen de la masa de la muestra en sí.
Conclusiones
La balanza hidrostática, es una forma eficiente y efectiva como método para calcular el volumen de una masa determinada, de forma manual.
Obviamente existen hoy muchas otras formas más tecnológicas y modernas de hacer el mismo trabajo y de forma más precisa y sencilla, sin embargo, la balanza hidrostática representa en sí misma el innato deseo del hombre de descubrir y de indagar en soluciones que permitan definir ciertos aspectos de la vida, y en este caso de la física;
ya que si bien es un aparato relativamente simple, el resultado que brinda y la comprensión del mismo es tan complejo, que requiere de un conocimiento que no todos poseen o mayor aún, no están interesados en conocer.
El avance científico que tenemos hoy en día, toda la tecnología, el bombardeo comercial de aparatos increíbles, llenos de funciones y de característica que buscan hacer la vida un proceso biológico más simple,
comenzó con descubrimientos y creaciones de artefactos como estos, que en su momento, destaparon la botella que contenía dentro de sí el genio del conocimiento científico.
A mentes como Arquímedes y a la fabricación de aparatos científicos de este tipo, se les debe gran parte del avance que conocemos en este siglo.
No cabe duda alguna que el conocimiento seguirá expandiéndose, la mente humana no descansa en busca de nuevas formas de innovar y proveer nuevas formas de comprender la cantidad de fenómenos y situaciones que nos rodean,
por tal motivo, es que la ciencia hoy en día tiene el auge que posee; algunos dicen que vivimos en la época de oro de la ciencia, un período de nuestra era en el que pareciera que el conocimiento científico ha alcanzado su máximo clímax,
y es posible que esa afirmación sea cierta, ya que el avance que hoy tenemos no se había visto jamás, pero…quien sabe, quizás aún no hemos conocido el último capítulo del deseo humano de aprender y conocer.