¿Por qué flotan los barcos?

Que flote un trozo de corcho parece que es algo que acepta todo el mundo como algo natural, porque el corcho es menos denso que el agua, pero ¿y un gran transatlántico como el Queen Mary 2, de casco muy grueso de acero, de 150.000 toneladas de peso y de unas dimensiones de 345 m de eslora, 41 de manga y 72 m de altura, no es más denso que el agua? 

Puede parecer que sí... pero, ¿qué pesa más 1 kg de hierro o 1 kg de paja? Naturalmente pesan lo mismo, 9,8 N; pero el kg de paja ocupa mucho más volumen (por lo que tiene menor densidad). Para comparar necesitamos fijar, por ejemplo, el volumen. Y ahora podemos decir que 1 metro cúbico de hierro pesa más que 1 metro cúbico de paja.

 

Si comparamos el peso del barco completo con el peso de un volumen de agua que fuera igual al del barco (o sea, como si el barco fuera agua), veríamos que el barco pesa menos porque el barco tiene grandes estancias vacías (llenas de aire, y el aire pesa menos que el agua), y eso hace que, en total, el barco pese menos que el mismo volumen de agua. Sobre volúmenes y masa, al fin y al cabo, una cuestión de densidad.

¿De qué otra forma podemos responder a la pregunta?

El principio de Arquímedes afirma que: "Todo cuerpo sumergido en el seno de un fluido, sufre una fuerza ascendente (empuje) cuyo valor es igual al peso del fluido desalojado"

Un poco de historia...

Si colocamos sobre agua (figura 65) distintos objetos: madera, plástico, papel, clavos, cubos de hielo, un barquito de papel, etc., veremos que algunos flotan y otros se hunden. Pero esto no depende únicamente del material, también depende de la forma que este tenga. (Por ejemplo, con un mismo trozo de plasticina construyes una bola y un disco ahuecado, verás que el primero se hunde mientras que el segundo flota, figura 66). Por tanto, un clavo de hierro se hunde y un barco, del mismo material, flota. 

Todas estas preguntas y los hechos señalados encuentran su explicación en el principio de Arquímedes.

Al sumergir una piedra (Fig. 68) el nivel del líquido sube, poniendo en evidencia el líquido desalojado por la piedra. Está claro que los volúmenes de la piedra y del líquido desalojado son iguales (método que se utiliza para medir el volúmen de sólidos irregulares).

Ahora bien, el peso de este líquido (P=m.g), es igual a la intensidad (o módulo) de la fuerza (llamada E, Empuje) que actúa sobre la piedra, de sentido opuesto al peso y que, por tanto, la hace sentir más liviana (con menor peso). 

Empuje y peso aparente

Todos hemos experimentado la sensación de sentirnos más livianos cuando estamos sumergidos en agua. Ello no se debe a una reducción de nuestro peso, sino a la presencia del empuje.

Si haces el experimento que se ilustra en la figura 70, podrás constatar que en apariencia el peso de una piedra se reduce al sumergirla en agua. 

Así, al colgar la piedra del dinamómetro (a) este indica que el peso de la piedra es de 10 N. Al sumergirla en agua (b), el dinamómetro indica 8 N. ¿A qué se debe esto? 
Este hecho es debido a que sobre la piedra, además de la fuerza peso, está actuando el empuje que ejerce el agua, en sentido contrario. El peso de la piedra es 10 N, su peso aparente 8 N y el empuje 2 N.

Empuje y flotabilidad 

Sabemos que algunos objetos flotan sobre los líquidos y otros se hunden. Más exactamente, como lo indica la figura 71, hay tres posibilidades:

(a) Si el peso del objeto es mayor que el empuje, este se hunde hasta llegar al fondo del recipiente;
(b) Si es igual al empuje, el objeto permanecerá sumergido, “entre dos aguas”; 
(c) y si es menor que el empuje, el cuerpo saldrá a flote y emergerá del líquido reduciéndose el empuje hasta hacerse igual al peso.

Veámos ahora, cómo sale a flote un cuerpo con más detalle (fig. 72: Las flechas azules indican el sentido del movimiento del cuerpo; las negras el empuje y las rojas, el peso). En (a) el cuerpo está completamente sumergido, pero como el empuje es mayor que su peso, está ascendiendo. Luego llegará a la posición que se indica en (b), pero igual que antes, seguirá ascendiendo. Desde este momento en adelante parte del cuerpo quedará por encima del nivel del líquido y el empuje se empezará a reducir, hasta hacerse igual a su peso. En este momento el cuerpo flotará en equilibrio. En los líquidos en general, en tanto, las burbujas de aire u otros gases ascienden igual que un corcho, y lo hacen por la misma razón. 

Respondiendo a la pregunta inicial:

La respuesta viene dada, como es obvio, por el principio de Arquímedes que se combina con la ingeniería para dar la forma al casco del barco.

El casco está diseñado de tal forma que cuando el barco escora, el volumen que se sumerge en el agua es mayor al que está sumergido cuando el barco está en posición de equilibrio. Lo cual, provoca un mayor empuje, que hace que el barco tienda a equilibrarse.

Esta es la forma que tienen los grandes buques actuales de mantenerse en "equilibrio".

Y ya puedes responder a todas estas preguntas:

¿Cómo lo hacen los submarinos y los peces para permanecer quietos a cierta profundidad, sumergirse y emerger? ¿Por qué para los pájaros esto es imposible sin aletear? ¿Cómo funcionan los chalecos salvavidas? ¿Por qué flotan los témpanos de hielo? ¿Por qué las burbujas de aire en el agua, o de gas en las bebidas, siempre ascienden? 

Y, para acabar, algunas curiosidades sobre la navegación:

- Aunque el principio de Arquímedes demostraba que un barco de hierro podía flotar, los barcos y buques se siguieron haciendo de madera hasta hace dos siglos. 

Línea de carga máxima y calado. 

- La carga de un buque está regulada por marcas en el costado del casco que indican los límites de la carga en diferentes mares y en distintas estaciones del año. Por razones de seguridad, el barco no debe cargarse más allá de lo que indica la línea. 

 - Se denomina calado a la distancia entre la cara inferior de la quilla de un buque hasta el plano de flotación. Se mide en pies o en decímetros. En los buques comerciales el calado es variable dependiendo de la carga, de las aguas y de la estación en que se navegue mientras que en los pequeños barcos de recreo, al no ser de carga, el calado se considera fijo.

- El calado no siempre es uniforme en toda la longitud del buque por lo que existen conceptos como calado de proa, calado de popa, calado medio, calado en el medio, calado en rosca, calado máximo, asiento, quebranto y arrufo

- Se denomina calado máximo al máximo calado admisible.

Debido a que las aguas por donde se navega tienen densidades diversas en función de su temperatura y su salinidad, una misma carga desaloja un volumen distinto de fluido (agua más o menos salada y más o menos caliente) por lo que a una misma carga máxima corresponden diversos calados máximos.

 

El calado máximo va marcado en ambos costados a proa del Disco de Plimsoll por un juego de líneas horizontales llamadas líneas de carga que señalan el calado máximo en diferentes aguas y estaciones del año. 

... Y una experiencia on line: aqui

... Y unos apuntes para repasar: aquí