Explicación de la flotabilidad
Escrito por Michael Merry ; última actualización: February 01, 2018
La flotabilidad, o empuje, es una "fuerza" que se asocia a las diferencias de densidad entre fluidos y los objetos inmersos en ellos. Los fluidos incluyen líquidos y gases, ya que ambos, al estar confinados, se adaptan a la forma del recipiente. Todo el mundo está familiarizado con la flotabilidad; nadie piensa con curiosidad o misterio acerca de un velero o un globo flotante. Sin embargo, no es conocimiento común el fundamento de la flotabilidad. Su explicación puede hallarse en un principio de la física.
Principio de Arquímedes
Si un objeto liviano, como un tapón de corcho, se mantiene bajo el agua y luego se lo suelta, regresa a la superficie rápidamente. Por el contrario, un objeto pesado, como una bola de hierro, se hunde en el agua. Este fenómeno fue comprendido por el matemático griego clásico, Arquímedes, quien lo describió en su famoso principio. El principio de Arquímedes establece que un objeto sumergido parcialmente o por completo en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desplazado.
Densidad
La densidad se define como la cantidad de masa contenida en una unidad de volumen de una sustancia y suele expresarse en gramos (g) por centímetro cúbico (cc) o en libras por pie cúbico. Un objeto liviano flota sobre el agua porque su densidad es menor que la del agua, mientras que una bola de hierro se hunde porque su densidad es mayor que la del agua. Usando el principio de Arquímedes para algunos ejemplos se clarificará el porqué de esto.
Objeto pesado inmerso en un líquido
Considera un bloque de aluminio con un volumen de 100 cc, inmerso en un recipiente con agua. La densidad del aluminio es de 2,7 g/cc; por lo tanto, su peso es de 100 cc x 2,7 g/cc = 270 g. La densidad del agua es de 1 g/cc; por lo tanto, el peso de 100 cc de agua es de 100 g. De acuerdo con el principio de Arquímedes, la "fuerza de empuje" que actúa hacia arriba sobre el bloque de aluminio es de 100 g que, en efecto, reduce el peso del bloque de aluminio a 270 - 100 = 170 g. Puede verse con claridad que el bloque se hundirá debido a una fuerza hacia abajo que se corresponde con su peso restante.
Objeto liviano inmerso en un líquido
Cuando un bloque de madera del mismo volumen, 100 cc, se sumerge en agua, flotará. La densidad de la madera es de alrededor de 0,6 g/cc. Un bloque de madera de esta densidad pesa 100 cc x 0.6 g/cc = 60 g. Invocando el principio de Arquímedes, puede verse que la fuerza de empuje, de 100 g, es mayor que el peso del bloque de madera. Por lo tanto, la fuerza empuja el bloque hacia la superficie, donde permanece parcialmente sumergida. El bloque de madera se sumerge a sí mismo hasta una profundidad a la que el peso del agua desplazada se equilibra con el peso del bloque. Como el bloque pesa 60 g, desplaza 60 cc de agua, Por lo tanto, 40 cc, o un 40 por ciento, del bloque permanece por encima del agua.
