La flotabilidad para la ciencia, es una fuerza ascendente ejercida por un fluido que se opone al peso de un objeto sumergido. En una columna de fluido, la presión aumenta con la profundidad como resultado del peso del fluido superpuesto. Así, la presión en el fondo de una columna de fluido es mayor que en la parte superior de la columna. De forma similar, la presión en el fondo de un objeto sumergido en un fluido es mayor que en la parte superior del objeto. Esta diferencia de presión da como resultado una fuerza ascendente neta sobre el objeto.
La magnitud de esa fuerza ejercida es proporcional a esa diferencia de presión y (como lo explica el principio de Arquímedes) es equivalente al peso del fluido que de otra manera ocuparía el volumen del objeto, es decir, el fluido desplazado.
Por esta razón, un objeto cuya densidad es mayor que la del fluido en el que está sumergido tiende a hundirse. Si el objeto es menos denso que el líquido o tiene una forma apropiada (como en un barco), la fuerza y la ley de flotabilidad puede mantener el objeto a flote. Esto puede ocurrir sólo en un marco de referencia no inercial, que tiene un campo gravitatorio o está acelerando debido a una fuerza distinta a la gravedad que define una dirección “descendente”. En una situación de estática del fluido, la fuerza neta de flotación ascendente es igual a la magnitud del peso del fluido desplazado por el cuerpo.
Tabla de Contenidos
Qué es el principio de Arquímedes
Todo cuerpo sumergido en un fluido desarrolla un empuje vertical y hacia arriba el cual, iguala al peso de fluido desalojado, esto lo afirma el principio de Arquímedes, ahora bien, la explicación de este principio consta de dos partes que son:
- El cambio de la porción de fluido por un cuerpo sólido con las mismas dimensiones y formas.
- El estudio de fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido.
Arquímedes ha llegado a esta conclusión después de intentar determinar el volumen de los diferentes tipos de sólidos, lo que se conoce como medición del volumen de desplazamiento en términos de líquidos. Esto se explicaría de una manera simple: el volumen de un cuerpo es igual a la cantidad de espacio que ocupa. Pero para demostrar esto hay varias formas, por lo que medir el volumen de estos cuerpos tiene algunas variantes.
Ley de la flotabilidad de Arquímedes
El principio de Arquímedes o ley de la flotabilidad de Arquímedes, fue descubierto por el antiguo matemático e inventor griego Arquímedes, quien afirmó que cualquier cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido, ya sea gas o líquido, pero que estaba en reposo, actúa por medio de la ley de flotabilidad, cuya magnitud es igual al peso del fluido desplazado por el cuerpo. De esta manera, el volumen de fluido desplazado es equivalente al volumen de un objeto sumergido en un fluido.
Acá algunos ejemplos de este principio, encontrados en la vida diaria:
- Los submarinos.
- Los balones, barcos, o cualquier medio de transporte acuático ya que presenta un alto nivel de flotabilidad.
- Las herramientas o artefactos usados para medir la densidad de los líquidos.
- Los salvavidas que se usan regularmente en la playa o piscinas para flotar.
Empuje y flotabilidad
La Ley de empuje fórmula representa una fuerza de flotabilidad que aparece cuando un cuerpo está sumergido en un fluido. La medida de esto, viene dado por el peso del volumen del fluido desalojado.
Ocurre porque la presión de cualquier fluido en un punto dado depende principalmente de la profundidad a la que se encuentra (en otras palabras, la cantidad de fluido que tiene en la parte superior). Esta presión ejerce una fuerza sobre cualquier cuerpo sumergido en el fluido y tiene la propiedad de ser perpendicular, acá se desarrolla un empuje fórmula ideal para que el cuerpo ascienda a la superficie.
La definición de flotabilidad es la capacidad de un cuerpo para permanecer dentro de un fluido. Esta flota cuando la fuerza resultante de la presión ejercida en la parte inferior del cuerpo es mayor que la fuerza resultante de su peso más la presión ejercida sobre la parte superior. El cuerpo se eleva hasta que ambos resultados son iguales. Es por eso que los cuerpos flotantes no vuelan. A veces, la presión ejercida en la parte inferior dependerá del líquido en el que el cuerpo está sumergido.
Tipos de flotabilidad
Según el concepto de flotabilidad existen tres tipos de esta que son: la flotabilidad positiva , negativa y neutral.
La flotabilidad neutral
Esta se desarrolla una vez que el peso de un objeto es igual al del líquido que desplaza. Un buzo está entrenado en técnicas para regular la flotabilidad submarina. La natación horizontal y las respiraciones profundas y largas permiten al buceador empujar hacia adelante, no hacia arriba. Control de la flotabilidad de los peces a través de una vejiga interna. Similar a un submarino, la vejiga se llena de gas como un medio para alterar la flotabilidad.
La flotabilidad positiva
Esta ocurre cuando el objeto es más liviano que el fluido que desplaza. El objeto desciende porque el empuje es mayor que el peso del objeto. Un nadador experimenta una gran cantidad de fuerza de flotabilidad. El Mar Muerto de Israel es famoso por atraer turistas flotantes. El agua salada es menos densa que el agua dulce y proporciona una fuerza ideal para flotar. La flotación y las fuerzas netas no son lo mismo. El volumen y la densidad de un objeto determina su flotabilidad.
La flotabilidad negativa
Se desarrolla cuando un objeto es más denso que el fluido que desplaza. El objeto se hundirá porque su peso es superior y no permite flotar. Un submarino está diseñado para operar bajo el agua almacenando y liberando agua a través de tanques de lastre. Si se da la orden de descender, los tanques contienen agua y aumentan la densidad del barco. Arquímedes descubrió que la corona del rey estaba hecha de una sustancia menos flotante que las monedas de oro hundidas.
Propiedades de la flotabilidad
Se puede decir que, según el principio de Arquímedes refiere a el significado de flotabilidad como la fuerza que experimenta un cuerpo hacia arriba, igualando al volumen de líquido desplazado. Arquímedes en la definición de flotabilidad, considero que un cuerpo sumergido puede experimentar una gran fuerza hacia arriba que iguala al volumen de líquidos desplazados.
El centro de flotación de un objeto es el centro del volumen desplazado de fluido.
¿Por qué algunas cosas flotan y otras se hunden? Lo primero que viene a la mente para muchas personas es que depende de lo pesado que es un objeto. Mientras que el peso de un objeto, o más apropiadamente su masa juega un papel, no es el único factor. Si lo fuera, no podríamos explicar cómo flota un crucero gigante mientras un pequeño gravilla se hunde. La masa importa, pero hay más.
La capacidad de un objeto para flotar se describe el significado de flotabilidad. Como ya se ha mencionado, el concepto de flotabilidad expresa un objeto con la tendencia a flotar o subir en un líquido. Un objeto que flota en el agua se dice que es positivamente boyante. Un objeto que se hunde es negativamente flotante. Para determinar la flotabilidad de un objeto, tanto su masa como su volumen deben tomarse en consideración. La relación entre el volumen del objeto y la masa se llama su densidad. La densidad se define como la masa de un objeto por unidad de volumen.
Por qué unas personas flotan mejor que otras
Según la ley de flotabilidad de Arquímedes, ¨Un objeto o cuerpo sumergido parcial o totalmente en un fluido sin movimiento alguno, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al volumen del fluido que desaloja¨. El factor determinante de este empuje para superar la fuerza de la gravedad es la densidad: si el objeto es menor que el líquido, flotará. Por eso lo hace la madera, pero no el plomo. Como en el caso del agua y los humanos están prácticamente atados, la capacidad de mantener la superficie del agua dependerá de los pequeños detalles.
De antemano, hay diferencias de sexo, en general los hombres acumulan menos grasa y esto limita su potencial de flotabilidad. Por el mismo motivo, es decir, la escasa presencia de lípidos, niños y adolescentes tendrían más problemas para no hundirse.
Y quizás esto también sirva para explicar en parte; por qué hay tan pocos nadadores de piel negra, cuya constitución tiene más volumen óseo y muscular que la de los blancos. También se debe tener en cuenta el factor psicológico ya que, una persona que no puede nadar y se pone nerviosa, puede terminar tragando agua y hundiéndose debido a movimientos incontrolados.
Por qué los barcos flotan
Los barcos flotan porque son menos densos que el agua. Si bien es cierto que la gran mayoría de los barcos están hechos de metal (que se hunde muy fácilmente), ocupan un gran volumen. Ahora, ¿qué es la densidad? la densidad es la cantidad de materia que existe por unidad de volumen. Una esfera de hierro con un metro de 1 metro cúbico podría hundirse sin duda alguna, Ahora bien; si se construye una esfera de un metro cúbico igual a la anterior pero, hueca, el volumen de esta, será mucho mayor que el de la esfera sólida, y con la ayuda del empuje del agua hacia arriba (Principio de Arquímedes), flotará.
Un objeto que es hueco tiene poca densidad, porque está lleno de aire. Lo mismo ocurre con el barco, aunque el hierro está flotando en el agua debido al aire en su interior. En el caso de que se haga un agujero en el casco, el agua entrará expulsando el aire hacia el exterior, entonces la densidad del barco será mayor que la del agua y el barco se hundirá.
Cuando sumergimos un bote en el agua, desaloja una parte del volumen que anteriormente ocupaba el fluido, empujándolo hacia afuera. Como resultado, el agua empuja el bote en todas las direcciones y perpendicular al casco, hacia adentro.
Es decir, según la definición de flotabilidad impulsada por sabio arquímedes, hay una fuerza que empuja el bote de abajo hacia arriba y lo hace flotar.
Ejercicios de flotabilidad resueltos
Es Fundamental tener claro que «Fuerza de flotación» es la misma «Fuerza de empuje», o simplemente: «Empuje». Es la fuerza ejercida por el fluido sobre cualquier cuerpo que se sumerge en él.