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El concepto de flotación nos hace pensar en objetos que habitualmente vemos sobre la superficie del mar, como un barco, velero o crucero. Pero, ¿qué es lo que provoca que ciertos objetos puedan flotar?
Remontémonos al siglo III a. C. La historia cuenta que en la ciudad de Siracusa, ubicada en la costa sudeste de la isla de Sicilia, en el Mediterráneo central, habitaba un viejo sabio llamado Arquímedes que fue llamado por el rey Hierón II para resolver un misterio: confirmar si la corona que había mandado a hacer estaba hecha solamente de oro, tal como decía el orfebre, o si su composición también constaba de otro material.
Arquímedes decidió relajarse para poder pensar ya que tenía que resolver el problema sin dañar la corona; por lo tanto, no podía fundirla y convertirla en un cuerpo regular para calcular su masa y volumen, a partir de ahí, su densidad. Tomó un baño de inmersión y observó que al introducirse en el agua, el nivel subía… Lógicamente tenía que ver con el hecho de haberse introducido en el agua, pero ¿por qué el agua subía hasta cierto nivel? Evidentemente se relacionaba con su peso porque si se hubiese introducido un bebé, el nivel del agua hubiese subido menos. Entonces, concluyó que la cantidad de agua desplazada estaba en relación a su peso y relacionó este hecho con la corona: una corona que no fuese de oro no desplazaría igual cantidad de agua que la de oro puro. Inmediatamente salió corriendo gritando ¡Eureka! ¡Eureka! que significa ¡Lo encontré!
Este hallazgo permitió que Arquímedes cumpliera con la tarea encomendada por el rey y, además, estableció un principio que es estudiado hasta el día de hoy y lleva su nombre. Dice así:
«Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja».
Este principio nos dice básicamente que la fuerza de empuje hacia arriba que experimenta un cuerpo que está total o parcialmente sumergido en un fluido es igual al peso del volumen del fluido que es desalojado por el cuerpo.
La idea de “empuje” se refiere a “fuerza”; este empuje es la fuerza que experimenta el cuerpo al estar sumergido en el fluido. Para entender este concepto pensemos en una pelota de goma y en una pileta: para sumergirla tendremos que hacer muchísima fuerza porque ésta tiende a flotar. Esa fuerza que se hace para hundir la pelota es la que se necesita para contrarrestar el empuje que experimenta la pelota de abajo hacia arriba, es decir, la que el líquido ejerce hacia arriba.
Una pelota flota y para sumergirla tenemos que ejercer una fuerza con sentido opuesto al empuje. Un bloque de plomo se hunde por su peso, sin la necesidad de ejercer otra fuerza sobre él. En el primer caso el empuje que ejerce el fluido es mayor al peso de la pelota y en el segundo caso, el peso del bloque de plomo es mayor al empuje.
Ahora sí, con estos conceptos claros podemos comenzar a hablar de flotación: analicemos la densidad del material que estamos sumergiendo en el agua o en algún otro fluido. Si probamos en un balde lleno de agua cuáles elementos son los que flotan, observaremos que los más pesados, es decir, los de mayor densidad, se van a hundir; en cambio, los livianos flotarán.
Pero no solo la densidad del material que estamos sumergiendo es la que determina si el objeto flotará o no, sino que también hay que considerar la densidad de los fluidos.
Si la densidad del cuerpo es mayor que la del agua, este se va a hundir; pero si la densidad es menor que la del agua, entonces este va a flotar. En el caso de cuerpos con densidades cercanas a la del líquido, la flotación implica una inmersión parcial hasta que el empuje hidrostático se equilibra con el peso propio de la parte que sobresale del nivel de líquido.
¿Por qué el hielo flota en el agua?
El hielo flota debido a que su densidad es menor que la del agua líquida. En otras palabras, 1 cm3 de hielo tiene menos masa (o “pesa” menos) que 1 cm3 de agua líquida.
EN RESUMEN:
Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso del líquido desalojado.
Sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas:
1. Su peso, que es vertical y hacia “abajo”.
2. El empuje, que es vertical pero hacia “arriba”.
Si queremos saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico, que es igual a su peso dividido por su volumen. Pe = P/V
Entonces, se pueden producir tres casos:
1. si el peso es mayor que el empuje (P > E), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del cuerpo es mayor al del líquido.
2. si el peso es igual que el empuje (P = E), el cuerpo no se hunde ni emerge. El peso específico del cuerpo es igual al del líquido.
3. Si el peso es menor que el empuje (P < E), el cuerpo flota. El peso específico del cuerpo es menor al del líquido.
Cuerpos sumergidos: tres casos.
¿POR QUÉ LOS BARCOS FLOTAN?
Es extraño que un cuadrado de hierro se hunda al instante y una embarcación imponente, que está construida con hierro y otros materiales pesados, se mantenga a flote. Pero hay una explicación para esto y la clave está en entender el concepto de densidad. Como dijimos, la densidad se refiere a la cantidad de masa que se encuentra dentro de cierto volumen.
Estamos todos de acuerdo en afirmar que un bloque de hierro tiene más densidad que uno de madera. Pero, ¿cómo hace para flotar una embarcación como esta que lleva tanta carga?
El gran secreto está en sus componentes: además de construirse con acero, hierro y otros materiales densos también dispone de cámaras de aire. Entonces, podemos afirmar que las embarcaciones son huecas, conteniendo aire en su interior, por lo tanto su densidad es menor que la del agua. El empuje que ejerce el agua es el otro factor que permite la flotabilidad de los barcos.
EL EXTRAÑO CASO DEL SUBMARINO
¿Cómo hace un submarino para estar en la superficie flotando y de repente hundirse? Nuevamente el secreto se encuentra en su construcción.
Un submarino moderno está provisto de dos cascos, uno dentro de otro.
Casco hidrodinámico: es el externo. Le confiere a la nave la figura hidrodinámica necesaria para que pueda desplazarse con velocidad tanto en la superficie del agua como en inmersión.
Casco resistente: es el interno. Como su nombre lo indica está diseñado para resistir la presión del agua cuando el submarino se sumerge. Básicamente es un enorme cilindro de acero donde se encuentran las instalaciones: camarotes, comedor, cocina, etc.
Para sumergir el submarino, todas las aberturas del casco resistente se cierran. Pero, además posee a ambos lados del casco “tanques de inmersión” que se inundan para aumentar el peso de la estructura y poder descender. Para emerger, se libera el agua de los tanques; entonces, el submarino pierde peso y flota.
En el primer submarino los tanques se encuentran vacíos, es decir, con aire, por eso flota. En el segundo se señaliza con flechas azules el ingreso del agua y con flechas blancas, el escape de aire. Al llenarse los tanques con agua, el submarino se hunde. El tercer submarino está emergiendo, los tanques se están vaciando.
EL MISTERIO DEL MAR MUERTO
Este mar, localizado en la Valle del Rift, en Jordania (Israel), no solo llama la atención por la poca existencia de flora y fauna, de ahí su nombre, sino que también es famoso porque allí se puede flotar sin la necesidad de nadar.
Es sabido que en cualquier mar se flota con mayor facilidad que en una piscina por la diferencia de densidad entre ambos líquidos. El agua de mar, por su contenido de sal, es más densa que la de las piscinas que es dulce y resulta más ligera. Pero, en el mar Muerto es posible flotar con mayor facilidad aún por su alto contenido salino: 275 gramos por litro aproximadamente. Por esta misma característica ningún ser vivo, excepto algunas bacterias, pueden vivir allí.
Bucear en este mar no es tarea sencilla: cada submarinista debería llevar 40 kilos de peso para que disminuya su flotabilidad. Además deberían protegerse los ojos y la boca con máscaras ya que si se tragara agua accidentalmente la laringe podría inflamarse, provocando la asfixia.
Otra singularidad de este mar es que se trata del lugar más bajo de la Tierra a cielo abierto al encontrarse 416,5 metros bajo el nivel del mar. Por esto la atmósfera es bastante particular: resulta más densa que al nivel del mar, filtra mejor las radiaciones ultravioletas nocivas y contiene un 8% más oxígeno de lo habitual.
El mar Muerto es conocido como el balneario terapéutico más bajo del mundo. La composición de sales y minerales del agua es lo que le otorga propiedades únicas y beneficiosas para el organismo.
El mar Muerto tiene 80 Km de largo y un ancho máximo de 16 Km.
Su lecho también contiene depósitos de lodo negro fácil de extender por el cuerpo que proporciona a la piel minerales nutritivos.
