¿Por qué flotan los barcos? Densidad y fuerza de flotación

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1. Flotabilidad en la antigua Grecia

2. ¿Por qué flota un barco en el mar y cuáles son los principios físicos?

2.1. Densidad

2.2. Principio de Arquímedes

3. ¿Por qué flotan los barcos a pesar de estar construidos con materiales mucho más densos que el agua?

3.1. Diferentes condiciones de equilibrio según la densidad

Los vemos casi todos los días, algunos fondeados o anclados en alta mar, otros pasando por un puerto o por el Canal de Panamá. Pero, ¿Alguna vez te has preguntado como flotan estos inmensos barcos?

Cada uno de estos grandes objetos flotantes está hecho para una función diferente, sin embargo, todos deben cumplir con las siguientes características: flotabilidad, estanqueidad, resistencia de materiales, estabilidad y navegabilidad.

En este artículo nos referiremos a la flotabilidad, y explicaremos los principios físicos que intervienen para que un barco pueda estar a flote.

Flotabilidad en la antigua Grecia

Desde los tiempos de la antigua Grecia, se analizaba las características de la flotabilidad de los objetos, así el principal representante de esto fue Arquímedes, un filósofo, físico, ingeniero, matemático que se embarcó en entender y explicar sobre dicho fenómeno, la famosa flotación de los cuerpos.

Se cuenta que Arquímedes a través de un experimento pudo verificar si la corona del Rey era de oro puro. Todos conocemos su famosa frase que dijo al salir del baño, cuando supo cómo resolver el problema de la densidad de la corona, «Eureka», que significa «¡Lo he conseguido!»

¿Por qué flota un barco en el mar y cuáles son los principios físicos?

Principalmente los barcos flotan debido a dos conceptos físicos, la densidad y el principio de Arquímedes. A continuación, explicamos esto.

Densidad

Asimismo, la densidad toma un papel fundamental en esto de la flotación de los objetos y cuerpos. Ya que, relaciona dos magnitudes, una fundamental y otra derivada, hablamos de la masa y el volumen de un cuerpo, respectivamente.

La densidad es una magnitud intrínseca de la materia, es decir es una característica única de cada cuerpo y permite diferenciarlo de otro. Y el volumen es importante, porque dependiendo de la forma, flotan los barcos, no es lo mismo un objeto con poco volumen a un objeto con un gran volumen de aire.

La densidad se identifica por la letra griega rho ( $\large \rho$ ) y se define como la masa de un cuerpo dividida entre su volumen:

Formulación matemática de la densidad. ¿Por qué flotan los barcos? — Imagen 1. Formulación matemática de la densidad. La masa del objeto es dividida entre su volumen para obtener la densidad.

Principio de Arquímedes

En cuanto al principio de Arquímedes, nos dice que un cuerpo al sumergirse parcial o totalmente en un fluido, recibe un empuje hacia arriba (fuerza de flotación) igual al volumen del fluido desplazado.

Así, la fuerza de flotación, es el empuje que ejerce un fluido hacia arriba sobre un barco sumergido en él.

¿Por qué flotan los barcos a pesar de estar construidos con materiales mucho más densos que el agua?

Sabemos que el hierro o acero se hunde en el agua con mucha facilidad, incluso, si colocamos un clavo este se hunde. Entonces, ¿cómo se puede explicar que si los inmensos barcos cruceros (buques de pasajeros) están hechos de acero floten y un clavo que es más chico se hunda en el agua?

De igual manera, podemos llevar la pregunta a un escenario de agua dulce, ¿Cómo es posible que, si colocamos un lingote de hierro en una piscina, este se hunde, y un barco que es miles de veces más pesado, no lo haga?

Después de analizar estas preguntas podemos llegar a las siguientes respuestas: los buques o barcos flotan porque tienen un gran volumen de aire en su interior. Si bien es cierto que están hechos de acero y otros metales densos, la combinación de las masas (del aire y del acero) dividida entre el volumen total del barco te dará una densidad mucho menor que el hierro y el líquido donde se sumerge. Por tal razón un mega crucero como el Harmony of the Seas flotará.

Así, el clavo se hundirá debido a su forma, y es que, a pesar de que es menos pesado que el barco crucero, terminará en el fondo del mar.

En cambio, si colocas un objeto metálico que tenga una mayor superficie, y a eso, le colocas aire, el mismo flotará. Para entender esto mejor, imaginemos los siguientes escenarios:

Si tienes una bola de aluminio y la colocas en el agua, este se hundirá (es más denso), si haces la forma de un barco (que tiene mayor superficie), este flotará.
Si haces una bola de papel (estás reduciendo su volumen y aumentando su densidad) y la lanzas hacia arriba, esta inmediatamente bajará debido a la fuerza de gravedad, al contrario, si dejas caer el papel sin arrugarlo (tiene mayor volumen y es menos denso), este hará resistencia al caer, el escenario es válido porque el aire (gas) y el agua (líquido) en física se les conoce como fluidos.

Entonces, concluimos que, en principio, si diseñamos un barco con mucho volumen y gran cantidad de aire, este hará resistencia por medio del principio de Arquímedes y flotará.

Así, un buque tendrá flotabilidad si su densidad total (densidad del acero, materiales y aire) es menor que la densidad del agua o líquido donde se encuentre.

Es decir: pbarco < pH2O (densidad del barco es menor que la densidad del agua).

Cuando un buque está sobre el agua, puede flotar debido a que experimenta una fuerza producida por el líquido en sentido contrario al peso del buque, es decir, la contrarresta.

A continuación, se muestra la representación de lo que sucede cuando colocamos un pequeño bote sobre el agua. Asimismo, vemos que este desplaza una cantidad de agua, y el empuje será igual al peso del volumen del líquido desplazado.

Si queremos saber cuál es la fuerza de empuje que recibe un cuerpo en el agua, solamente tenemos que retirar el volumen de dicho líquido y luego calcular el peso.

Diferentes condiciones de equilibrio según la densidad

Por lo tanto, de acuerdo a la ecuación de Arquímedes tenemos tres casos:

F_emp = p g V
F_emp: es igual a la fuerza de empuje que actúa sobre el cuerpo sumergido
p (rho): es la densidad del fluido
g: aceleración de la gravedad
V: volumen del fluido desalojado

Diagrama de fuerzas. Condiciones de equilibrio de acuerdo al principio de Arquímedes. — Imagen 3. Diagrama de fuerzas para la flotación de un barco. Condiciones de equilibrio de acuerdo al principio de Arquímedes.

Caso 1: fuerza resultante hacia arriba. Una embarcación flotará si su densidad total es menor que la densidad del agua o líquido donde se encuentre.

Caso 2: Fuerza resultante hacia abajo. Si la densidad del líquido es menor que la del barco, entonces se hundirá más, mientras menor sea la densidad del agua más se hunde el barco, podría hasta llegar al fondo del mar, en un caso extremo.

Caso 3: Fuerza resultante igual a cero. Si las densidades son iguales, entonces el barco quedará sumergido en el agua. No se verá en la superficie, pero tampoco se hundirá hasta el fondo. (No es práctico al menos que sea un submarino).

Dato curioso

Resulta que, la densidad del agua dulce es menor que la densidad del agua de mar, 998 kg/m³ (a 20°C), y 1 026 kg/m³ (a 20°C), respectivamente. Es por esto que un barco en agua de mar flotará más que estando en agua dulce. Recordemos que, si la densidad del líquido es menor, entonces el cuerpo se hunde más.

Flotación de los barcos — Imagen 4. Buque Portacontenedor transitando por el Canal de Panamá. Créditos schliff en Pixabay.

Un ejemplo de esto, es cuando vemos los gigantes portacontenedores o cruceros que pasan por algún lago o esclusas del Canal de Panamá; cuando van a transitar se calcula el calado, que es la distancia de la base del barco (quilla), a la línea de flotación del barco. La razón por la cual es hacen los cálculos, es porque también se debe tomar en cuenta el peso de la carga del barco.

Si sabemos que el agua dulce es menos densa que la de mar, entonces el barco se hundirá más, por lo que requerirá más distancia entre el buque y el lecho marino para no quedar encallado o incrustado; situación que puede ocasionar daños en el casco.

Conclusión

Hasta aquí hemos revisado los conceptos físicos acerca del porqué flotan los barcos. Ahora sabes que puedes colocar un objeto hecho de acero, pero que si lo llenas de aire, o buscas de alguna manera reducir su densidad por debajo de la densidad del fluido en el que estará, podrás hacerlo flotar.

De igual manera, hay otros temas involucrados en la flotabilidad de un barco. Y es que al ser estos tan inmensos, es necesario contar con la ingeniería para construir buques seguros, y que cumplan con las exigencias tanto del medio ambiente como el de las personas.

Por ejemplo, un barco podría flotar gracias al principio de Arquímedes, pero sin estabilidad, o estanqueidad (capacidad para evitar que entre fluido al interior del buque), no sería funcional.