Seguramente has visto todo tipo de barcos, desde los clásicos de madera que parecen hechos para flotar sin esfuerzo, hasta esos gigantes de metal que desafían toda lógica. ¿Cómo es posible que algo tan pesado no se hunda como una piedra?
Si lanzas una barra de hierro al agua, verás cómo se hunde sin piedad. Pero, curiosamente, un barco hecho de toneladas de metal se mantiene a flote sin problemas. ¿Acaso hay magia de por medio? No exactamente. Todo tiene que ver con el principio de Arquímedes, esa ley de la física que impide que los barcos se conviertan en submarinos por accidente.
¿Cómo flotan los barcos?
La flotabilidad es la propiedad que permite que los barcos no terminen en el fondo del océano. Este fenómeno fue descrito por primera vez por Arquímedes, el genio griego que, además de gritar «¡Eureka!», nos dejó uno de los principios más importantes de la física (287 a.C. – 212 a.C.).
El famoso Principio de Arquímedes dice que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje hacia arriba, equivalente al peso del fluido desplazado. En pocas palabras, si un barco desplaza suficiente agua para igualar su propio peso, flotará como un campeón. Si no, bueno… digamos que terminaría en el fondo.
Pero hay un detalle interesante: cuando hablamos de cuerpos compresibles, entra en juego la Ley de Boyle-Mariotte. Esta explica cómo la flotabilidad cambia según el volumen que ocupa un objeto. Básicamente, si el volumen aumenta, la densidad disminuye y el objeto flota mejor. Por eso, los submarinos pueden controlar su profundidad ajustando la cantidad de aire en sus tanques.
La flotabilidad de los barcos y el Principio de Arquímedes
Esta fuerza de empuje que experimentan los barcos y cualquier objeto sumergido se conoce como empuje hidrostático y se mide en newtons (N). Matemáticamente, se expresa como:
E = -m g = – ρf g V
Donde:
- E es el empuje hidrostático.
- g es la aceleración de la gravedad.
- m es la masa del objeto.
- V es el volumen del fluido desplazado.
- ρ es la densidad del fluido.
En términos más simples, cuanto más agua desplaza un objeto, mayor es el empuje que recibe. En los barcos, el truco está en su diseño: su casco hueco y extendido les permite desplazar grandes cantidades de agua sin ser demasiado densos. Así, logran mantenerse a flote sin esfuerzo, incluso cargados hasta los topes.
Si representamos las fuerzas en un barco de manera vectorial, veremos que el sistema está influenciado por dos fuerzas principales: la fuerza peso (que empuja el barco hacia abajo) y la fuerza de empuje (que lo empuja hacia arriba).
Para que un barco flote sin problemas, la clave está en equilibrar estas fuerzas. En otras palabras, la fuerza resultante debe ser cero. Si la fuerza de empuje es igual al peso del barco, este se mantiene en la superficie sin hundirse, de lo contrario, se hundirá.
Para entenderlo mejor, pensemos en una piedra lanzada al agua. Se hunde inmediatamente porque su densidad es mayor que la del agua desplazada. En este caso, la fuerza peso supera al empuje, por lo que no hay nada que la mantenga a flote.
En cambio, los barcos están diseñados para desplazar grandes volúmenes de agua sin aumentar demasiado su densidad. Gracias a su estructura consiguen generar suficiente fuerza de empuje para compensar su peso. Esto explica por qué un enorme buque de carga puede flotar mientras una pequeña moneda se hunde sin remedio.
Densidad, volumen y flotabilidad: ¿Por qué algunos objetos flotan y otros no?
Si lanzamos un globo lleno de aire y una piedra del mismo tamaño al agua, veremos un espectáculo bastante predecible: el globo flota y la piedra se hunde. Pero si ocupan el mismo volumen, ¿por qué tienen destinos tan diferentes? La clave está en la densidad.
La densidad es la relación entre la masa y el volumen de un objeto. En otras palabras, cuánta materia hay en un determinado espacio. La piedra tiene una densidad mayor que el agua, lo que significa que su peso supera al del volumen de agua desplazado. Como la fuerza de empuje que recibe no es suficiente para contrarrestar su peso, la piedra se hunde hasta tocar fondo.
En términos simples, se dice que la piedra tiene una baja relación volumen-peso: ocupa poco espacio, pero pesa mucho. En cambio, el globo, al estar lleno de aire, tiene una densidad menor que la del agua. Su peso es inferior al del agua que desplaza, lo que le permite flotar sin esfuerzo.
Por otro lado, un barco es básicamente una estructura hueca llena de aire, un elemento mucho menos denso que el agua. Gracias a esta alta relación volumen-peso, logra desplazar suficiente agua para igualar su peso, permitiéndole flotar.
Cuando un barco se carga con mercancía o pasajeros, su volumen sigue siendo el mismo, pero su peso aumenta. Esto hace que se hunda un poco más, pero mientras no se sobrecargue hasta reducir demasiado la relación volumen-peso, seguirá flotando. Incluso si el barco está abierto por arriba, el aire atrapado dentro de su estructura cuenta como parte del volumen total, ayudando a mantenerlo a flote.
Para verlo en acción, imagina un cubo de acero de 1 kg. Si lo sumerges en agua, se hundirá porque su forma compacta no desplaza suficiente agua. Pero si moldeamos el mismo acero en una estructura más grande y hueca, como un barco, podrá desplazar más agua y generar suficiente empuje para flotar.
Fuentes:
