¿De qué depende que un cuerpo flote?

La flotabilidad es un concepto fundamental en la física que explica por qué algunos objetos flotan mientras que otros se hunden. Este fenómeno, que puede parecer sencillo a primera vista, es en realidad una manifestación de principios físicos complejos que interactúan entre sí.

¿Qué es la Flotabilidad?

La flotabilidad es la fuerza ascendente que un fluido ejerce sobre un objeto sumergido en él. Esta fuerza permite que el objeto flote si es mayor o igual al peso del objeto, o que se hunda si es menor. El principio básico que describe la flotabilidad es el Principio de Arquímedes, formulado por el matemático y físico griego Arquímedes en el siglo III a.C.

Principio de Arquímedes

El Principio de Arquímedes establece que un objeto sumergido total o parcialmente en un fluido experimenta una fuerza ascendente igual al peso del fluido desplazado por el objeto. Esta fuerza se llama empuje o fuerza de flotación.

Fórmula del Principio de Arquímedes:

Fuerza de empuje (Fe) = Peso del fluido desplazado = ρ_f×V×g

Donde:

• ρf​ es la densidad del fluido,
• V es el volumen del fluido desplazado,
• g es la aceleración debido a la gravedad.

Factores que Determinan la Flotabilidad

1. Densidad del Objeto y del Fluido

La densidad (ρ) es la masa por unidad de volumen de una sustancia. La relación entre la densidad del objeto (ρ_o​) y la densidad del fluido (ρ_f​) es crucial para determinar si un objeto flota o se hunde.

• Objeto menos denso que el fluido: Si ρ_o<ρ_f​, el objeto flota.
• Objeto más denso que el fluido: Si ρ_o>ρ_f​, el objeto se hunde.

2. Volumen del Objeto

El volumen (V) del objeto sumergido en el fluido determina la cantidad de fluido desplazado y, por lo tanto, la magnitud de la fuerza de empuje. Un objeto con mayor volumen desplaza más fluido, lo que puede aumentar la fuerza de empuje.

3. Forma del Objeto

La forma del objeto también afecta su flotabilidad. Objetos con formas diseñadas para desplazar más fluido, como los cascos de los barcos, pueden flotar mejor que aquellos con formas menos eficientes.

4. Gravedad

La aceleración debido a la gravedad (g) influye en la fuerza de empuje. Aunque esta constante es aproximadamente la misma en la Tierra (9,81 m/s²), puede variar en otros planetas o contextos, afectando la flotabilidad.

Ejemplos Prácticos de Flotabilidad

Barcos y Embarcaciones

Los barcos flotan porque están diseñados para desplazar una cantidad de agua que iguala o supera su peso total. Aunque los materiales de los barcos, como el acero, son densos, su forma y el volumen de aire contenido en su estructura aseguran que el barco tenga una densidad promedio menor que la del agua.

Submarinos

Los submarinos controlan su flotabilidad mediante tanques de lastre que pueden llenarse con agua para hundirse o con aire para flotar. Al ajustar la cantidad de agua en estos tanques, un submarino puede cambiar su densidad relativa al agua circundante.

Globos Aerostáticos

Los globos aerostáticos flotan en el aire porque el gas dentro del globo (como helio o aire caliente) es menos denso que el aire exterior. Este principio es similar al de la flotación en líquidos, pero aplicado a fluidos gaseosos.