¿Por que flotan los Barcos?

Es muy común, si tuviste la oportunidad de viajar en barcos de gran porte, que  surja la pregunta ¿Cómo es que un barco tan grande es capaz de mantenerse a flote? ¿por que flotan los barcos en el mar si son tan pesados? o bien ¿Qué fuerza hace posible mantener un barco a flote?

La propiedad que explica el por que los barcos flotan es la Flotabilidad, su primera descripción fue realizada por el científico Arquímedes hace mas de 2000 años. Arquímedes en su enunciado principal sostenía lo siguiente.

Principio de Arquímedes

" Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido recibe un empuje hacia arriba (ascendente) igual al peso del fluido que desaloja "

Esta fuerza, conocida como empuje hidroestático, se mide en Newtons (N) y es responsable de contrarrestar la fuerza de la gravedad que actúa sobre los objetos sumergidos en un fluido.

La relación entre el empuje y el peso

La clave: la densidad y no el peso

Un error común es pensar que el peso del barco es el factor determinante en su flotabilidad, pero en realidad lo importante es su densidad promedio.

La densidad se define como: Masa / Volumen

Si un objeto tiene una densidad mayor a la del agua, se hundirá. Si su densidad es menor, flotará.

Por ejemplo, una piedra lanzada al agua se hunde porque su densidad es mayor que la del agua. En cambio, un barco, a pesar de estar hecho de materiales densos como el acero, cuenta con una estructura hueca y espacios llenos de aire, lo que reduce su densidad promedio y le permite flotar.

Por lo tanto, como podemos ver en las ecuaciones de arriba, el empuje es igual a la densidad del fluido por el Volumen del liquido desplazado (debe ser igual al volumen del cuerpo sumergido).

Con lo cual si expresamos la relación de fuerzas de manera vectorial, tenemos la imagen siguiente donde podemos ver que el sistema esta afectado por dos tipos de fuerzas, la fuerza peso (peso del barco) y la fuerza empuje (mencionada en la ecuación de arriba).

Con lo cual si queremos lograr que el barco flote, simplemente debemos lograr que esta relación de fuerzas sea nula, es decir la fuerza resultante sea cero.

 La clave es la densidad, y no el peso, una piedra arrojada en agua se va al fondo por que el volumen de la piedra es mas denso que el mismo volumen de agua desalojado, en ese caso la fuerza peso es superior a la fuerza empuje, con lo cual inevitablemente se hundirá.

Teóricamente, un barco puede flotar independientemente del peso del material en el que este construido, pero hay que considerar que si el material en el que se construyo es en su naturaleza un material pesado, el volumen de agua desalojada deberá ser mayor para equiparar ese peso, con lo cual la base del barco deberá ser mas grande.

Cuando se construye un barco, se tiene que contemplar la cantidad de personas máximas que pueden ir a bordo, de manera que no se sobrecargue y disminuya demasiado la relación Peso - Volumen.

Diseño de los barcos y flotabilidad

Para garantizar que un barco flote de manera segura, los diseñadores deben considerar varios factores:

1. Volumen de desplazamiento: La forma del casco del barco debe garantizar que desplace suficiente agua para generar el empuje necesario.
2. Distribución del peso: El peso de la carga, los pasajeros y la estructura deben estar distribuidos de manera equilibrada para evitar inclinaciones peligrosas.
3. Margen de seguridad: Se calcula un límite máximo de carga para evitar que el barco se hunda más de lo permitido.

Factores que pueden afectar la flotabilidad de un barco

• Sobrecarga: Si se excede el peso máximo permitido, el volumen de agua desplazada no será suficiente para generar el empuje necesario, y el barco podría hundirse.
• Daños en el casco: Una brecha en el casco puede permitir la entrada de agua, aumentando la densidad y provocando el hundimiento.
• Condiciones del agua: La flotabilidad de un barco puede variar según la salinidad del agua. En el agua salada (como en los océanos), la densidad del fluido es mayor, lo que incrementa la flotabilidad en comparación con el agua dulce.

Conclusión

Los barcos flotan gracias al principio de Arquímedes, que explica que el empuje ascendente de un fluido sobre un objeto sumergido es igual al peso del fluido desplazado. La clave para la flotabilidad no es el peso del barco, sino su densidad promedio y el volumen de agua que desaloja.

Gracias a estos principios, ingenieros y constructores pueden diseñar embarcaciones de gran tamaño capaces de transportar enormes cargas sin hundirse.

La próxima vez que subas a un barco, ya sabrás el secreto detrás de su capacidad para flotar en el agua.

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