TRANSDISCIPLINARIDAD STEM: APLICACIÓN DEL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES EN EL ESTUDIO DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE UN SUELO GRUESO

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Un fuerte abrazo a la comunidad científica que se desenvuelve en la blockchain de HIVE, especialmente la que forma parte de la comunidad de StemSocial de la que se desprende la sub-comunidad de STEM-ESPANOL donde tengo el honor de ser colaborador del área de Ingeniería. Siempre es un honor compartir contenido en el área de la Mecánica de Suelos con la intención de promover una cultura geotécnica dentro de la blockchain y así profesionales, estudiantes afines y curiosos del saber se nutran de estos conocimientos marcados por mi experiencia de varios años en los laboratorios de suelos de mi hermoso país VENEZUELA. Bajo el lema de EDUCAR MÁS ALLÁ DE LOS MUROS DEL AULA disfruta de este post preparado con mucho amor para todos mis queridos lectores.

INTRODUCCIÓN

En esta oportunidad daremos inicio a una saga de interesantes publicaciones que buscan resaltar lo transdisciplinar del saber científico para dar con soluciones ingeniosas a problemas que pueden surgir en el día a día, a través de la interacción entre disciplinas que confluyen para tal fin. En la publicación que nos ocupa vamos a ver como la Física de los Fluidos a través del Principio de Arquímedes, dice presente en el laboratorio de Mecánica de Suelos, en pro de la determinación de la gravedad específica de este. En el siguiente esquema conceptual se presenta una visión global de los contenidos a estudiar:

Imagen N°01: una visión global de los contenidos a abordar

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes resaltados por el recuadro de color “azul” fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000.Las imágenes resaltadas por el recuadro de color “rojo” son de uso libre, extraídas de: https://pixabay.com/es/photos/arqu%C3%ADmedes-roma-italia-europa-4670063/ y https://pixabay.com/es/illustrations/iceberg-hielo-%C3%A1rtico-tempano-nieve-1321692/.

DELIMITACIÓN DE LA TEMÁTICA A ESTUDIAR Y ASPECTOS CONCEPTUALES DE IMPORTANCIA

La gravedad específica “Gs” es una propiedad índice de los suelos cuyo conocimiento es importante en el proceso de cálculo de otras propiedades de este material. Por ejemplo, en estudios de compactación, consolidación e hidrometría, la gravedad específica de los sólidos “Gs” ha estado presente y me he limitado a indicar que es un dato que proviene de los ensayos de laboratorio. Por lo que es el momento oportuno de abordar lo que esconde la determinación de esta propiedad.

Imagen N°02: aspectos conceptuales de importancia

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000.

En primera instancia, para el estudio de la “Gs” vamos a depender de la granulometría del material (la cual se considera ya conocida, en una próxima publicación se profundizará en los ensayos implicados para su obtención amparados en la norma ASTM C-136 y los cálculos que permiten construir la tabla granulométrica de la imagen N°03) surgiendo por lo tanto dos variantes, dependiendo si se trabaja con la fracción fina del suelo, la cual para los fines del estudio de esta propiedad es aquella constituida por partículas de suelo que pasa el tamiz N°10, o si se trabaja con la fracción gruesa del mismo (partículas de suelo retenidas en el tamiz N°10). En el caso de un suelo que presente todos estos tamaños de partículas se obtendría una gravedad específica ponderada. En esta publicación centraremos la atención en la fracción gruesa del suelo, lo que abre las puertas al uso de la balanza hidrostática y por consiguiente a la aplicación del principio de Arquímedes extrayendo las premisas básicas que se ajustan a los fines de esta publicación.

@eliaschess333 y ¿qué es la gravedad específica de los sólidos?

Esta propiedad parte del concepto de pesos específicos relativos, consistente en dividir el peso específico de esa fase del material (γs) con el peso específico del agua (γw), es decir:

La ecuación deducida permite ver que “Gs” es un puente interesante para convertir pesos a volúmenes y viceversa. Por lo que es una relación muy útil para enfrentar problemas académicos en el campo de relaciones volumétricas y gravimétricas. Ahora bien, en un laboratorio determinar el peso de los sólidos (Ws) es realmente sencillo con la ayuda de una balanza, el peso específico del agua (γw) está tabulado, por lo que el reto es determinar el volumen de los sólidos (Vs), y en el caso que nos ocupa donde estos están representados por la fracción gruesa del suelo, el uso de la balanza hidrostática amparada de la aplicación del principio de Arquímedes será trascendental. En este orden de ideas, el objetivo general de esta publicación es: aplicar el principio de Arquímedes en el estudio de la gravedad específica de un suelo grueso. Los pasos para alcanzarlo y que al mismo tiempo constituyen los tópicos en los que se estructura esta publicación son los siguientes:

Objetivos Específicos:

1.- Estudiar la importancia de la composición granulométrica del suelo.

2.-Comprender el principio de Arquímedes contextualizándolo a la temática de interés.

3.- Explicar de forma didáctica el cálculo de la gravedad específica del suelo grueso.

Procedamos a desarrollar cada uno de ellos.

ESTUDIO DE LA IMPORTANCIA DE LA COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA DEL SUELO

La constitución granulométrica del suelo viene a constituir una especie de documento de identidad para presentarse ante el mundo, dado que a partir de este hecho podemos saber si un suelo es grueso (más del 50% de material es retenido en el tamiz N°200) o fino (lo que pasa al tamiz N°200 es igual o mayor al 50%), lo cual representa una orientación para subsecuentes estudios que cobran importancia dependiendo del caso, por ejemplo profundizar en la gradación tiene sentido en aquellos suelos que se consideran gruesos, te recomiendo la lectura de la referencia N°06 para que afiances estos conceptos. El caso de suelo que nos ocupa también está representado por este grupo. Ahora bien:

¿Es esa la única aplicación del hecho de conocer la constitución granulométrica?

En efecto no es la única, saber la constitución granulométrica se materializa en el conocimiento de las proporciones de material para cada tamiz (porcentajes retenidos parciales), tal como lo podemos apreciar en el esquema conceptual de la imagen N°03.

Imagen N°03: importancia del conocimiento de la granulometría del suelo

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000. La tabla que se muestra es una captura de pantalla del programa Microsoft Excel.

En el caso de los suelos en cuya constitución hay presencia de todos los tamaños, tal como el del ejemplo mostrado en la anterior imagen, el estudio de la gravedad específica tiene dos vertientes, una dirigida hacia la fracción granular gruesa y otra dirigida hacia la fracción granular fina. Centrándonos en este post en la primera de ellas (ver porcentajes que se resaltan con el recuadro de color “rojo”) y donde resulta necesario realizar una corrección granulométrica de forma que todos estos porcentajes representen el “100%” del peso de la muestra a ensayar, es decir, el porcentaje retenido acumulado corregido (%RetAcum**) debe ser “100%”.

@eliaschess333 y ¿cómo podemos hacer eso?

Es muy sencillo. Lo primero que debemos hacer es dividir el porcentaje retenido acumulado (el cual es un valor que proviene de la suma de todos los porcentajes parciales hasta el tamiz de interés) por “100”, para de este modo llevarlo a decimales. A este valor obtenido lo llamaremos para fines prácticos factor de corrección “A”.

Dónde:

“%RetAcum” es el porcentaje retenido acumulado.

Sustituimos en la ecuación N°02 el valor resaltado por el óvalo de color “verde” de la imagen N°03, obteniendo lo siguiente:

Este valor dividirá a cada uno de los porcentajes retenidos parciales (%retparc) que se encuentran resaltados por el recuadro de color “rojo” (ver imagen N°03) obteniéndose así porcentajes retenidos parciales corregidos (%retparc**). Por ejemplo:

Realizamos todos estos cálculos hasta el “tamiz N°10”. La suma de todos los “%retparc” hasta dicho tamiz nos dará el “(%RetAcum)” de “100%”. En el siguiente esquema conceptual se presenta una sinopsis de todos estos resultados.

Imagen N°04: obtención de valores corregidos

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000. La tabla que se muestra es una captura de pantalla del programa Microsoft Excel.

Se aprecia en la imagen que basados en los “%retparc” se obtienen unos pesos retenidos corregidos “Wret” para cada tamiz en base al peso de los sólidos “Ws” de “2500 gr”. Por ejemplo para el tamiz 2” se tiene:

La suma de los “Wret” permiten obtener el peso retenido acumulado corregido “Wretacum” para cada tamiz en particular. Por ejemplo para el tamiz 3/8”:

Estos valores representan una orientación en el desarrollo de las pesadas, destacando que por ser una orientación no debemos presionarnos por la exactitud en los tamices previos al N°10, lo importante es que en la última pesada se llegue a los “2500 gr” a través de la incorporación sucesiva del material. En este orden de ideas el peso de los sólidos es conocido “Ws=2500 gr”. El reto es encontrar el volumen de esta fracción gruesa, y es allí donde entra el uso de la balanza hidrostática cuyo funcionamiento se basa en el principio de Arquímedes.

COMPRENSIÓN DEL PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES CONTEXTUALIZÁNDOLO A LA TEMÁTICA DE INTERÉS

Las premisas del principio de Arquímedes que aplican a nuestra temática de interés, podemos englobarlas en la siguiente idea: un objeto total o parcialmente sumergido desaloja una cantidad de líquido. Dicho volumen desplazado coincide con el volumen del objeto que se ha sumergido de forma total o parcial. En el campo que nos ocupa, ese objeto está representado por las partículas de la fracción gruesa del suelo y el líquido por el agua. En el esquema conceptual de la imagen N°05 podemos ver la parte de la balanza por donde el agua es desalojada, cuyo volumen representa el volumen de los sólidos “Vs” pudiendo aplicar la ecuación N°01 dado que el peso específico del agua (γw) es conocido.

Imagen N°05: manejo de la balanza hidrostática en el laboratorio de suelos

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas con mi dispositivo tablet VIT - T4000.

No obstante, en el laboratorio utilizamos la siguiente alternativa por ser más práctica para encontrar la gravedad específica de la fracción gruesa del suelo:

El término resaltado en color “azul” se obtiene al equilibrar la balanza incorporando las pesas que se ilustran en la imagen anterior. En el siguiente recurso audiovisual se realiza un ejemplo práctico y se ilustra de forma didáctica las premisas del principio de Arquímedes que nos orientan en el ensayo. Te recomiendo la lectura de la referencia N°05 en la que el amigo @tsoldovieri realiza una explicación magistral del principio de Arquímedes, siendo esto una muestra de lo transdisciplinar del conocimiento.

EXPLICACIÓN DE FORMA DIDÁCTICA EL CÁLCULO DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DEL SUELO GRUESO

Video N°01: gravedad específica del suelo grueso

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint

CONCLUSIONES

Comprender el concepto de pesos específicos de los suelos es muy importante para avanzar en el estudio de los mismos dado que es una propiedad índice presente en una gran gama de temáticas de interés que contribuyen a tal fin. Por ejemplo: compactación, hidrometría, esfuerzos efectivos, consolidación y otras. En esta publicación se profundizó en una forma alternativa de presentar esta propiedad índice como lo es el concepto de peso específico relativo, ahondando en el estudio de la gravedad específica de los sólidos, de donde podemos extraer las siguientes conclusiones:

01.-Dependiendo si se trabaja con la fracción gruesa o fina del suelo, el estudio de la gravedad específica tiene dos vertientes amparadas respectivamente por las normativas “ASTM C-127” y “ASTM D-854”.

02.-El principio de Arquímedes es una muestra de lo transdisciplinar del conocimiento y entra en juego en la determinación de la gravedad específica de un suelo grueso.

03.-La gravedad específica es una propiedad adimensional y según la referencia N°01 oscila en un rango general de “2.6” a “2.9”.

04.-La ecuación N°07 es la forma práctica de calcular la “Gs” de la fracción gruesa en el laboratorio. No obstante si medimos el volumen del agua recolectada y aplicamos la ecuación N°01, llegaremos a los mismos resultados.

05.-Esta ecuación N°07 puede ser vista como alternativa, que se ampara de las bases que rigen a la ecuación N°01, en cuanto a lo adimensional y las premisas básicas usadas del principio de Arquímedes.

En base a esta última conclusión, tenemos que la transdisciplinaridad es un camino maravilloso del saber científico, donde la integración de diversas áreas del saber conducen a soluciones fascinantes. Espero esta publicación haya sido de tu agrado, nos leemos en una próxima oportunidad. Escribió para ustedes:

@eliaschess333

FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS

01.-Braja M. Das. 2001. FUDAMENTOS DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA. THOMSON LEARNING.

02.- ASTM C127-04. “MÉTODO DE ENSAYO NORMALIZADO PARA DETERMINAR LA DENSIDAD, LA GRAVEDAD ESPECÍFICA Y LA ABSORCIÓN DE AGREGADOS GRUESOS”.

03.- ASTM D 854-05. “STANDARD TEST METHODS FOR SPECIFIC GRAVITY OF SOIL SOLIDS BY WATER PYCNOMETER”.

04.- ASTM C-136:06. “MÉTODO DE ENSAYO NORMALIZADO PARA LA DETERMINACIÓN GRANULOMÉTRICA DE AGREGADOS FINOS Y GRUESOS”.

LECTURAS RECOMENDADAS

05.- @tsoldovieri (2018). ENTENDIENDO EL PRINCIPIO DE ARQUÍMIDES SIN ECUACIONES. Disponible en: https://hive.blog/stem-espanol/@tsoldovieri/entendiendo-el-principio-de-arquimedes-sin-ecuaciones

06.- @eliaschess333 (2019). EL SUELO ES ALGO MÁS DE LO QUE PISAMOS: UN ENFOQUE DESDE LA INGENIERÍA VIAL CON APLICACIONES ESTADÍSTICAS. PARTE I. Disponible en:https://hive.blog/steemstem/@eliaschess333/el-suelo-es-algo-m-s-1556046384

Sort:  

El concepto de gravedad específica es muy importante tanto para sólidos como para líquidos, me llamo mucho la atención este concepto ya que me encuentro desarrollando una serie temática audiovisual acerca de los principios básicos de los fluidos empleados en la perforación de pozos. Muy educativo y de gran relevancia este post amigo Elias, gracias por compartir. Saludos

Que honor tu visita por mi blog @carlos84. Es realmente interesante el campo de acción de este concepto. Una expresión más de lo transdisciplinar del saber científico. De allí esta interesante saga de publicaciones que estoy comenzando con el lema: TRANSDISCIPLINARIDAD STEM. Saludos amigo @carlos84!!!

Estaré muy atento a tu serie amigo Elías, ya que me interesa ver que puntos en común tiene la ingeniería civil y la ingeniería de petróleo, de seguro le encontrare mucha similitud ya que se manejan muchos principios de mecánica de fluidos. Saludos mi estimado amigo

Excelente @carlos84, este tipo de comentarios motiva a trabajar fuerte. Saludos!

Muy importante en Mecánica de Suelos para Ing. Civil, saber que tan pesado es un agregado grueso respecto del agua. Muy importante la transdisciplinariedad en la ingeniería, muchas otras ramas también aplican este concepto de gravedad específica.

Excelente diagramación, muestra de manera didáctica los procesos para realizar la medición en laboratorio.

Buen trabajo. Saludos! @eliaschess333

Complementando lo que señalas compañero @acont, esta propiedad como lo es la gravedad específica es muy importante conocerla, dado que es requerida en otros ensayos, como por ejemplo en el de compactación de los suelos. Me contenta que te haya gustado la forma didáctica de presentar los procedimientos de laboratorio. Gracias por el apoyo. Saludos!!!

Así es. Espero el post para el Gs del agregado fino, sería bueno repasar esa parte.

Chévere @acont, trabajando fuerte.

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Saludos estimado amigo @eliaschess333, como de costumbre una impecable entrega la que nos presentas en esta oportunidad relacionada a la aplicación del principio de Arquímedes en el estudio de la gravedad especifica de un suelo grueso, tus objetivos específicos son extraordinarios ya que nos permiten una comprensión total del propósito del post, resaltando como muy bien señalas que la gravedad especifica de los suelos representa el cociente entre el peso específico de la fase en la que se encuentra este material con el peso específico del agua, y con dicha relación podemos convertir pesos a volúmenes y viceversa, entre tanta otra información de gran relevancia que detallas en tu artículo, sin duda, un material de lujo tanto para estudiantes como profesionales de ingeniería civil y áreas afines, es decir, para cualquier persona amante del estudio del suelo. Gracias por compartir tus extraordinarios conocimientos con todos nosotros. Éxitos.

Amigo @rbalzan79 todo un honor tu visita por mi blog. Y me siento realmente halagado por tu comentario. Todo un honor compartir mis conocimientos en la blockchain de HIVE, bajo el lema de "EDUCAR MÁS ALLÁ DE LOS MUROS DEL AULA". Trabajando fuerte para futuras publicaciones. Un fuerte abrazo desde Arequipa, Perú!

Amigo Elias el honor es nuestro al poder aprender con tus excelentes publicaciones ya que son muy didácticas de alta calidad y digeribles, felicitaciones por tu gran entrega. Un abrazo desde Venezuela y muchos Éxitos para ti.

Amén amigo @rbalzan79, muchas bendiciones para tí tambien!!!