Seguramente hayas visto muchos tipos de barcos en tu vida, desde algunos hechos de madera que a simple vista parecen más aptos a flotar, hasta algunos enormes construidos con hierro muy pesado que nos hacen preguntarnos por qué flotan los barcos.
Si arrojas una barra de hierro al mar, comprobarás que se hunde rápidamente. Sin embargo, un barco que pesa muchísimo más que la barra de hierro, y que puede estar fabricado de metal, consigue mantenerse a flote sobre el agua.
¿Cómo flotan los barcos?
La flotabilidad es la propiedad que hace flotar a los barcos y fue descrita por primera vez por Arquímedes, uno de los científicos más importantes de la Antigüedad clásica (287 a.C. – 212 a.C.). La flotabilidad de un cuerpo viene determinada por el conocido como Principio de Arquímedes. En cuerpos compresibles interviene la Ley de Boyle-Mariotte que explica como la flotabilidad de estos cuerpos cambia al variar su volumen (espacio que ocupa un cuerpo.).
La flotabilidad de los barcos y el Principio de Arquímedes
El Principio de Arquímedes dice así: “Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo es empujado de abajo hacia arriba con una fuerza igual al peso del volumen del fluido que el cuerpo ha desplazado”. Esta fuerza se conoce con el nombre de empuje hidrostático y se mide, según el Sistema Internacional de Unidades, en newtons. La formulación matemática es:
E = -m g = – ρf g V
Dónde:
E: es él es empuje hidrostático
g: es la aceleración de la gravedad
m: la masa
V: es el volumen de fluido desplazado
ρ: es densidad del fluido.
Por lo tanto, como podemos ver en las ecuaciones de arriba, el empuje hidrostático es igual a la densidad del fluido por el Volumen del líquido desplazado (debe ser igual al volumen del cuerpo sumergido).
Con lo cual, si expresamos la relación de fuerzas de manera vectorial, tenemos la imagen siguiente donde podemos ver que el sistema está afectado por dos tipos de fuerzas, la fuerza peso (peso del barco) y la fuerza empuje (mencionada en la ecuación de arriba).
Con lo cual, si queremos lograr que el barco flote, simplemente debemos lograr que esta relación de fuerzas sea nula, es decir la fuerza resultante sea cero.
Una piedra arrojada en agua se va al fondo por que el volumen de la piedra es más denso que el mismo volumen de agua desalojado, en ese caso la fuerza peso es superior a la fuerza empuje, con lo cual inevitablemente se hundirá.
Materiales diferentes, con diferentes densidades, pero igual volumen, tendrán una flotabilidad diferente. Tomemos por ejemplo un globo hinchado lleno de aire y una piedra del mismo tamaño. Ambos objetos ocupan el mismo volumen en el espacio, pero la piedra se hundirá y el globo flotará. Esto se debe a la mayor densidad de la piedra.
Al tener más densidad, el peso de la piedra es mayor que el peso del agua que desplaza y la fuerza de empuje hidrostático no llega a igualar el peso de la piedra. La piedra se hunde hasta tocar fondo. Se dice que la piedra tiene una relación baja volumen-peso, esto es poco volumen y alto peso. Un barco es esencialmente una carcasa llena de aire (El aire es varias veces menos denso que el agua) y tiene una alta relación volumen-peso, desplazará rápidamente un volumen de agua cuyo peso sea equivalente al peso del barco y por esto el barco flota.
Lógicamente, cuándo los barcos se cargan disminuye la relación volumen-peso y se sumergirá más, pero permanecerá a flote mientras no se sobrecargue hasta el punto de hacer demasiado baja la relación volumen-peso (poco volumen para tanto peso). Hay que tener en cuenta que, aunque el barco esté abierto por arriba, el aire contenido entre las paredes cuenta como volumen del objeto.
Cuando se construye un barco, se tiene que contemplar la cantidad de personas máximas que pueden ir a bordo, de manera que no se sobrecargue y disminuya demasiado la relación Peso – Volumen.
Por si no te quedo claro cómo funciona la flotabilidad te pondremos un ejemplo. Si se sumerge un cubo de acero de 1 Kg en el agua, este se hundiría, dado que la fuerza de empuje es insuficiente para mantenerlo a flote. Pero si a la misma cantidad de acero se moldea para formar una figura más larga, desplazará mayor cantidad de agua, tendrá mayor empuje de esta, y por lo tanto flotará.
Fuentes:
