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.
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.
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:
Dónde:
- E es el 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.
El empuje hidrostático depende así de la densidad del fluido y del volumen de fluido desplazado (igual al volumen de objeto sumergido) pues en la Tierra la aceleración de la gravedad es constante (9,81 m/s2). Cuándo la fuerza del empuje hidrostático es igual al peso del objeto, este dejará de sumergirse.
Se dice que Arquímedes descubrió este hecho mientras tomaba un baño en una bañera. En ese relajante momento se fijó en que cuándo se sumerge un objeto en un fluido, como el agua de la bañera, el nivel del fluido sube debido a que el objeto ha desplazado parte del fluido. Arquímedes se fijó en que cualquier objeto puesto sobre un fluido se sumergirá hasta que el peso de la cantidad de fluido desplazado sea igual al peso del objeto.
Materiales diferentes, con diferentes densidades pero igual volumen, tendrán un 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 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.
Ahora que sabes como flotan los barcos, te será más fácil entender y explicar cómo flotan otros objetos, incluido el cuerpo humano. La relación volumen-peso es la clave.