¿Por qué flotan los barcos?

Ya sabemos que no podemos caminar sobre el agua, somos muy pesados y nos hundiríamos como una piedra. Pero el portaaviones de la foto principal puede flotar, a pesar de que tiene más de 300m (1000 pies) de largo; es al menos un millón de veces más pesado que tú, y transporta alrededor de 70 aviones y 4000 marineros. Los barcos (grandes embarcaciones oceánicas) y los botes (barcos pequeños) son un brillante ejemplo de cómo la ciencia puede ponerse a trabajar para resolver un problema simple. Veamos entonces, muy a detalle, por qué flotan los barcos.

¿Qué son los barcos?

¡No es una pregunta tan tonta! Un barco o un bote (de ahora en adelante los llamaremos a todos botes) es un vehículo que puede flotar y moverse en el océano, un río u otro lugar acuoso, ya sea por su propio poder o usando el poder de los elementos (viento, olas o sol).

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La mayoría de los barcos se mueven en parte sobre el agua y en parte por debajo del agua, pero algunos (especialmente los aerodeslizadores e hidrodeslizadores) se elevan y aceleran sobre ellos, mientras que otros (submarinos y sumergibles, que son pequeños submarinos) van completamente por debajo. Suenan como distinciones bastantes obvias, pero son muy importantes para lo que analizaremos en un momento.

¿Qué hace que los barcos floten?

Todos los barcos pueden flotar, pero flotar es más complejo y confuso de lo que parece y se discute mejor a través de un concepto científico llamado flotabilidad, que es la fuerza que causa la flotación. Cualquier objeto flotará o se hundirá en el agua dependiendo de su densidad (cuánto pesa cierto volumen). Si es más denso que el agua, generalmente se hundirá; si es menos denso, flotará.

No importa cuán grande o pequeño sea el objeto: un anillo de oro se hundirá en el agua, mientras que una pieza de plástico tan grande como un campo de fútbol flotará.

La regla básica es que un objeto se hundirá si pesa más que exactamente el mismo volumen de agua. Pero eso realmente no explica por qué flotan los barcos y mucho menos por qué un portaaviones (hecho de metal denso) puede flotar, así que exploremos un poco más.

Flotabilidad positiva, negativa y neutra

La flotabilidad es más fácil de entender pensando en un submarino. Tienen aviones de buceo (aletas montadas en el costado) y tanques de lastre que puede llenar con agua o aire para que suba o baje según sea necesario.

Si sus tanques están completamente llenos de aire, se dice que flota positivamente: los tanques pesan menos que el volumen igual de agua y hacen que el submarino flote en la superficie.

Si los tanques están parcialmente llenos de aire, es posible hacer que el submarino flote a cierta profundidad media del agua sin levantarse ni hundirse. Eso se llama flotabilidad neutral.

La otra opción es llenar los tanques completamente con agua. En ese caso, el submarino tiene una flotabilidad negativa, lo que significa que se hunde en el fondo marino.

Flotabilidad en la superficie

Ahora bien, la mayoría de los barcos no operan de la misma manera que los submarinos. No se hunden, pero tampoco flotan exactamente. Un barco flota en parte y se hunde en parte de acuerdo con su propio peso y cuánto peso lleva; cuanto mayor es el total de estos dos pesos, más bajo se asienta en el agua.

Entonces, para que los barcos naveguen con seguridad, necesitamos saber cuánto peso podemos poner sobre ellos sin llegar a ningún punto cercano del hundimiento, ¿cómo puede resolverse esto?

Principio de Arquímedes

La persona que primero logró dar esta respuesta fue el matemático griego Arquímedes, en algún momento del siglo III a. C., según la leyenda popular, se le había dado el trabajo de averiguar si una corona hecha para un rey era oro macizo o una falsificación barata hecha en parte de una mezcla de oro y plata.

Una versión de la historia dice que se estaba bañando y notó cómo el nivel del agua subió mientras sumergía su cuerpo. Se dio cuenta de que si dejaba caer una corona de oro en una bañera, empujaría o «desplazaría» su propio volumen de agua hacia los costados, lo que le daría una manera fácil de medir el volumen de un objeto muy complejo.

Al pesar la corona, podría calcular fácilmente su densidad (su masa dividida por su volumen) y compararla con la del oro. Si la densidad era menor que la del oro, la corona era claramente falsa.

Otras versiones de la historia lo cuentan de una manera ligeramente diferente, ¡y muchas personas piensan que todo el cuento probablemente esté inventado de todos modos!

Más tarde, se le ocurrió la famosa ley de la física, ahora conocida como el Principio de Arquímedes: cuando algo descansa sobre el agua, siente una fuerza ascendente (flotante) igual al peso del agua que empuja (o desplaza) . Si un objeto está completamente sumergido, esta fuerza de flotación, empujando hacia arriba, reduce efectivamente su peso: parece pesar menos cuando está bajo el agua que si estuviera en tierra firme.

Es por eso que algo como un ladrillo de goma (uno de esos ladrillos con los que entrenas en una piscina) se siente más liviano cuando lo recoges bajo el agua que cuando lo sacas a la superficie y lo levantas por el aire: bajo el agua, estás obteniendo la mano amiga de la fuerza de flotación.

Todo esto explica por qué el peso de un barco (y su contenido) generalmente va en desplazamiento en vez de en hundimiento: si el océano fuera un recipiente lleno de agua hasta el borde, el desplazamiento de un barco es el peso del agua que se derramaría por el borde cuando el barco es lanzado.

Volviendo al caso del portaaviones, este tiene un desplazamiento de aproximadamente 75,000 toneladas descargadas o 95,000 toneladas con una carga completa, cuando se encuentra algo más bajo en el agua. Debido a que el agua dulce es menos densa que el agua salada, el mismo barco se sentará más abajo en un río (o un estuario, que tiene una mezcla de agua dulce y salada) que en el mar.

Empuje hacia arriba

Pero, desafortunadamente, nada de esto explica realmente por qué flotan los barcos. ¿De dónde viene esa fuerza boyante «mágica»? Un portaaviones ocupa un gran volumen, por lo que su peso se extiende por una amplia área del océano. El agua es un líquido bastante denso que es prácticamente imposible de comprimir. Su alta densidad (y, por lo tanto, su gran peso) significa que puede ejercer mucha presión: empuja hacia afuera en todas las direcciones (algo que puedes sentir fácilmente nadando bajo el agua, especialmente el buceo).

Cuando un portaaviones está en el agua, parcialmente sumergido, la presión del agua se equilibra en todas las direcciones excepto hacia arriba; en otras palabras, hay una fuerza neta (llamada empuje ascendente) que sostiene el bote desde abajo. El bote se hunde en el agua, empujado hacia abajo por su peso y empujado hacia arriba por dicha fuerza. ¿Qué tan bajo se hunde? Cuanto más pese (incluido el peso que lleve), más bajo se hundirá.

Si el bote pesa menos que el volumen máximo de agua que podría empujar (desplazarse), flota. Pero se hunde en el agua hasta que su peso y el empuje hacia arriba se equilibran exactamente.

Mientras más carga agregues a un bote, más tendrá que hundirse para que el empuje equilibre su peso. ¿Por qué? Porque la presión del agua aumenta con la profundidad: cuanto más se hunde en el agua, sin sumergirse realmente, se crea más empuje hacia arriba.

Si el bote pesa más que el volumen total de agua que puede hacer a un lado, se hunde.

¿Cómo se mueven los barcos?

La gravedad es la fuerza contra la que tenemos que trabajar cuando caminamos por tierra. Pero si eres un nadador entusiasta, sabrás que no es realmente un problema cuando te mueves sobre el agua, porque tu cuerpo es relativamente flotante.

Aunque tu cuerpo es principalmente agua, no es todo agua (pesa menos que una bolsa de agua exactamente del mismo tamaño). La resistencia al agua (arrastre) es, con mucho, la mayor fuerza contra la que los nadadores tienen que trabajar, y eso aplica por igual para los barcos.

Ahora bien, sabiendo esto y entendiendo por qué flotan los barcos, podemos entender también cómo se mueven. Ya lo hemos mencionado antes, cuanto más peso lleva un bote, más bajo se sienta en el agua y mayor resistencia al agua crea. Es por eso que los barcos tienen proas estrechas y afiladas (para empujar el agua limpiamente) y bordes frontales curvos en ese plano (los levantan del agua a medida que avanzan).

Como la mayoría de los objetos, los barcos se impulsan aprovechando las tres leyes de movimiento de Newton:

  • No van a ninguna parte a menos que una fuerza de algún tipo los empuje o los tire
  • Cuando hay una fuerza adecuada, los hace acelerar (moverse más rápido o en una nueva dirección) y una fuerza mayor los acelerará más
  • Si un bote quiere avanzar, debe aplicar una fuerza de empuje hacia atrás, de la misma manera que tienes que retroceder con una patineta para lanzarte por la acera.

En conclusión

La forma más sencilla de entender por qué flotan los barcos es olvidarse un poco de Arquímedes y pensar en la densidad. Un barco flota porque su densidad promedio es relativamente pequeña en comparación con la del mar.

Un barco de transporte militar vacío es efectivamente una caja metálica vacía gigante. Divide su masa total (su propia masa más la de sus contenidos) por su volumen y obtendrás su densidad promedio. Eso es menos que la densidad de una caja de metal sólido o una caja de metal llena de agua, y es por eso que el barco flota.

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