DEMOSTRACIÓN



Aunque el principio de Arquímedes fue introducido como principio, de hecho puede considerarse un teorema demostrable a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido en reposo, mediante el teorema de Stokes igualmente el principio de Arquímedes puede deducirse matemáticamente de las ecuaciones de Euler para un fluido en reposo que a su vez pueden deducirse generalizando las leyes de Newton a un medio continuo. Partiendo de las ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido:
(1)\rho_f\left[\frac{\part\mathbf{v}}{\part t} +\mathbf{v}(\boldsymbol\nabla\cdot \mathbf{v})\right]= \mu\Delta\mathbf{v} - \boldsymbol\nabla p + \rho_f\mathbf{g}
La condición de que el fluido incompresible que esté en reposo implica tomar en la ecuación anterior \mathbf{v}=0, lo que permite llegar a la relación fundamental entre presión del fluido, densidad del fluido y aceleración de la gravedad:
(2)0 = - \boldsymbol\nabla p + \rho_f\mathbf{g}
A partir de esa relación podemos reescribir fácilmente las fuerzas sobre un cuerpo sumergido en términos del peso del fluido desalojado por el cuerpo. Cuando se sumerge un sólido K en un fluido, en cada punto de su superficie aparece una fuerza por unidad de superfice \scriptstyle \mathbf{f} perpendicular a la superficie en ese punto y proporcional a la presión del fluido pen ese punto. Si llamamos \scriptstyle \mathbf{n} = (n_x,n_y,n_z) al vector normal a la superficie del cuerpo podemos escribir la resultante de las fuerzas \scriptstyle \mathbf{f} = -p\mathbf{n} sencillamente mediante el teorema de Stokes de la divergencia:
(3)\begin{cases}
F_x = \int_{S_K} f_x dS = \int_{S_K} -p n_x dS\\
F_y = \int_{S_K} f_y dS = \int_{S_K} -p n_y dS\\
F_z = \int_{S_K} f_z dS = \int_{S_K} -p n_z dS \end{cases} \quad \Rightarrow \begin{cases}
F_x = \int_{V_K} \cfrac{\part (-pn_x)}{\part x} dV \\
F_y = \int_{V_K} \cfrac{\part (-pn_y)}{\part y} dV \\
F_z = \int_{V_K} \cfrac{\part (-pn_z)}{\part z} dV \end{cases}

\Rightarrow\qquad \mathbf{F} = \int_{V_K} -\boldsymbol\nabla p\ dV = \int_{V_K} -\rho_f \mathbf{g}\ dV = -\rho_f \mathbf{g}\ V_K
Donde la última igualdad se da sólo si el fluido es incompresible.

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