Un poco de paciencia.
El barco se sumergirá más
en el río, ya que el empuje que recibe es menor. Siendo el empuje
igual al volumen del liquido desalojado multiplicado por su densidad.
Si aumenta la densidad, aumenta el empuje, cosa que sucede con el
agua de mar, d= 1.025 kg/dm3 aprox.
Al ser mayor la densidad, el
equilibrio entre el peso de barco y el empuje se logra con un volumen
ligeramente inferior, es decir, el barco emerge con relación a
cuanto se hunde en el río.
Por eso te resulta mas fácil flotar
en el mar que en la piscina o el río.
El peso del barco
siempre es el mismo, solo cambia el desplazamiento, el calado y el
empuje, que es igual siempre al desplazamiento y cambian porque un
barco nunca se desplaza igual. El desplazamiento va cambiando
según se van agotando combustible, pertrechos, etc.
Ante todo
tener presente que la densidad en estuarios, ríos, lagos, canales, y
determinados mares y océanos es más baja que en otros lugares del
planeta y está sujeta a ciertas diferencias dependiendo de muchos
factores entre ellos la temperatura del agua y el lugar en el que se
mire la densidad.
Mar Báltico, océano Ártico y mares
relacionados con él y océano Antártico con sus correspondientes
mares tienen una densidad en su agua por debajo de la del resto de
océanos y mares y en ellos el desplazamiento de los barcos, el
calado y el empuje son mayores. Hasta aquí se podría decir que la
explicación corta o abreviada es que en los ríos desplazamiento
empuje y calado son mayores que en el mar. Cerca de los polos, en
mares interiores en los que la precipitación de nieve es alta (por
ejemplo el caso del mar Báltico), en la desembocadura de ríos y
lagos pasa lo mismo que en los ríos, aunque en esos lugares la
densidad es ligeramente mayor. El resto de mares y océanos hay menor
desplazamiento por tanto menor empuje y menor calado. Hay una
excepción se trata del mar Muerto que es la extensión de agua en la
que mayor densidad existe del planeta y la flotabilidad es superior a
cualquier mar, lago o río.
Ahora si hay paciencia la
explicación larga sobre desplazamiento, empuje, volumen, densidad y
peso.
Bien el primer concepto que se debe asimilar es el de lo que
son el volumen, el peso y la densidad de un cuerpo y la relación que
tienen entre sí.
El volumen es el espacio que
ocupa un cuerpo.
El peso es la fuerza que ejerce una masa
sobre una superficie como consecuencia de la gravedad.
La
densidad es la
relación que existe entre el peso de un cuerpo y el volumen que
ocupa.
Veamos esto desde otra perspectiva y con un
ejemplo
Un trozo de hierro ocupa un volumen, de la relación
entre el peso de ese trozo de hierro y el volumen que ocupa nos sale
un número constante al que se da el nombre de densidad, no importa
lo que pese el trozo ni el volumen que ocupe la densidad siempre será
la misma y si alteramos el peso añadiendo o quitando mas hierro solo
aumentaremos o disminuiremos el volumen y el peso del hierro mientras
que la densidad seguirá siendo la misma.
La densidad no es la
misma en todos los materiales, pues un metro cúbico de agua de mar
pesa como media 1.025 kilos para una densidad de 1,025 sin embargo un
metro cúbico de hierro pesa mucho más, concretamente 7,9 toneladas
para una densidad de 7,9, otro material que se usaba para construir
barcos era la madera en este caso las maderas tienen diferentes
densidades dependiendo del árbol que se sacan, el pino tiene entre
0,35 y 0,5 y el roble entre 0,6 y 0,9.
Bien hasta aquí lo
referente a peso, volumen y densidad.
Vamos con el porque un cuerpo se hunde
y otro flota.
Bien vamos a ver que pasa cuando metemos en el mar
un trozo de hierro macizo y que tiene un volumen de un metro
cúbico.
En principio y si tenemos en cuenta lo que dice el
principio de Arquímedes tenemos que:
"Todo cuerpo
sumergido en un fluido (líquido o gas) pierde un peso igual al
fluido desalojado"
Esto es si sumergimos un cuerpo en
un líquido tenemos un empuje igual al líquido desalojado y por
tanto si el peso de ese cuerpo es mayor que ese empuje se hunde.
Volvemos al caso del metro cúbico de
hierro.
Ese metro cúbico sumergido en el
agua de mar desplaza un metro cúbico de la misma y como ya vimos los
pesos de agua y hierro para un mismo volumen son diferentes por ser
su densidad distinta (peso de metro cúbico del hierro 7,9 toneladas
y peso de metro cúbico del agua 1,025 toneladas). Como se puede
observar el peso del hierro es muy superior al peso del líquido
desplazado, y por tanto, tiene a su vez un empuje inferior. Y esto
hace el el hierro se hunda.
Veamos que pasa ahora con un metro
cúbico de madera de pino macizo en el agua.
Como hemos visto más arriba la
madera de pino tiene una densidad de entre 0,35, por lo que 0,5
metros cubico, pesara entre 0,35 y 0,5 toneladas y desplazará entre
0,35 y 0,5 toneladas, o lo que es lo mismo, un volumen de agua menor
que el volumen de la madera.
Supongamos que desplaza 0,5
toneladas de agua, si hacemos una sencilla operación sabremos que
volumen de madera queda fuera del agua y sumergido.
Veamos:
Volumen del agua
desplazada
Peso /densidad > 0,5 / 1,025 =
0,487 metros cúbicos de madera sumergido
Volumen de la madera fuera del agua
Volumen del trozo menos volumen del
agua desplazada > 1 m. cúbico - 0,487 = 0,513 metros cúbicos de
madera fuera del agua.
Por tanto y como vemos la madera
permanece a flote aunque con parte sumergida.
Los casos anteriores
sirven para ver de un modo práctico como se desarrolla el principio
de Arquímedes, pero cuando se trata de barcos que flotan la cosa se
complica un poco.
Para llevar un hilo coherente y lo más
comprensible posible seguiremos con el ejemplo del bloque de hierro.
Bien como vimos un metro cúbico de
hierro macizo se va al fondo y si queremos que flote tendremos que
modificar alguno de los parámetros.
Como también hemos dicho la
densidad del hierro permanece inalterable mientras no se incluya
algún material que la modifique, por tanto lo que se hace para que
el hierro flote es alterar su volumen incluyendo un material
diferente y de densidad menor que el agua, de modo tal que la
densidad del nuevo cuerpo (hierro más otro material) sea inferior a
la del agua.
Bien volvamos un poco atrás y recordemos que el agua
desplazada por el bloque de hierro pesaba 1,025 toneladas mientras
que ese bloque pesaba 7,9 toneladas, como vemos y si nos atenemos al
principio de Arquímedes, tenemos que hacer algo si queremos que el
bloque de hierro flote y ese algo pasa por conseguir que el peso del
agua desplazada iguale al peso del bloque de hierro esto es que ese
bloque de hierro desplace 7,9 toneladas de agua en vez de las 1,025,
para ello se llega a la conclusión de que se debe alterar el volumen
del bloque de hierro incluyendo un material mucho menos denso que el
agua, el aire, que con una densidad de 0,00129 es para igual volumen
mucho menos pesado que el agua.
Si estiramos ese bloque de hierro
y le damos forma de vaso conseguimos lo que pretendemos, esto es,
aumentar el volumen y al tiempo incluir en ese vaso el aire necesario
para que ese vaso flote, pero…. ¿cuanto se debe aumentar ese
volumen?
Veamos
Debemos desplazar 7,9 toneladas de agua luego
para desplazar esa cantidad de agua necesitamos un volumen de >
Volumen = Peso / densidad > 7,9 / 1,025 = 7,7 metros cúbicos o lo
que es lo mismo el vaso de acero debe tener al menos un volumen de
7,7 metros cúbicos, pero…. eso nos deja en una situación precaria
en caso de que entre algo de agua en el vaso por lo que debemos
considerar que el volumen del vaso debe ser mayor de 7,7 metros
cúbicos para flotar con cierta seguridad y por supuesto si queremos
usar ese "vaso" para transportar cosas a través del agua
en él ese volumen debe superarse con mayor razón.
Calado,
francobordo….balanceo y…. hundimientoBien supongo que
queda claro porque flota un buque ahora vamos a ver que es calado y
francobordo además de otras cosas, para ello os torturaré con uno
de mis dibujos
Bien os propongo un experimento que os hará
entender mejor todo lo expuesto y lo que voy a exponer, el
experimento lo podéis hacer en casa con un vaso.
Necesitáis un
recipiente en el cual podáis echar agua de modo que el nivel de la
misma supere la altura del vaso; una vez que echáis el agua ponéis
el vaso a flotar y si éste tiene el fondo un poco grueso veréis que
flota de un modo horizontal y que la línea de flotación llega a una
determinada altura, ese es el calado y además equivale al volumen de
agua desplazada y al peso del propio vaso, que en el dibujo de la
izquierda vemos pintado en color café (no usar café pal experimento
derrochones) también vemos que desde esa línea de flotación hasta
el borde superior del vaso hay una altura, pintada en gris, ese sería
el francobordo o la reserva de flotación, en un buque el francobordo
llega desde la línea de flotación hasta la cubierta continua más
alta que cierra el buque y suele coincidir con la cubierta superior.
Además si movemos el vaso un poquito vemos que se balancea bien y
con poca dificultad.
Bien
ahora vamos a ir echando agua dentro del vaso, en el dibujo verde
oliva (como si metiéramos carga a un barco o éste sufriera una vía
de agua) y ya tenemos en el dibujo de la derecha que va ocurriendo,
aumenta el calado y disminuye el francobordo y con éste la reserva
de flotabilidad; el vaso si os fijáis es mas torpe durante el
balanceo que cuando estaba vacío, pero esto que parece dar
estabilidad no es bueno para el vaso y tampoco para un barco porque
los movimientos bruscos pueden hacer que se hunda con más facilidad
al quedar el borde superior más cerca de la línea de flotación y
por tanto facilitar que el agua entre dentro, cuanta mas carga
metamos en el vaso mayor será el calado, menor el francobordo y
menor la reserva de flotabilidad, a un tiempo se irá volviendo más
torpe aún en los balanceos pero también serán más y mas
peligrosos hasta que llegado un momento el más leve movimiento
embarcara la cantidad de agua suficiente para que el vaso se
hunda.
Analicemos porque se hunde:
La densidad del cristal es
menor que la del acero y está entre 2,6 y 2,8 pero aún así es
mayor que la del agua de mar recordemos que es de 1,025 y por tanto
el vidrio por si solo es más pesado que el agua para igual volumen y
fundido en un bloque se hunde, dentro de ese recipiente que forma el
vaso tenemos aire que como ya vimos tiene una densidad de 0,00129 y
por tanto ayuda a que el vidrio flote, según metemos agua dentro del
vaso ocupamos un espacio que antes ocupaba el aire y eso constituye
un aumento de peso igual al agua embarcada y por tanto a un aumento
de desplazamiento y empuje. Cuando el agua por fin llega al borde e
inunda el vaso del todo, solo tenemos un trozo de cristal con una
densidad mayor que el agua lo que supone un peso mayor, que el
volumen de agua desplazado y se hunde.
¿Qué pasa con los submarinos?
Bien
como vimos un vaso o un barco flotan porque el volumen de agua que el
buque desplaza es igual que el peso del buque, pero el volumen del
mismo lógicamente debe ser mayor para que tenga el aire suficiente
que le haga flotar, hasta aquí creo que es sencillo entender porque
flota un buque, sin embargo hay un tipo de barco que en ocasiones
navega por debajo del agua con la opción de poder regresar a la
superficie.
Mientras el submarino flota se comporta del mismo modo
que cualquier buque, pero cuando se sumerge aumenta su peso al
introducir agua en tanques al efecto llamados de lastre o inmersión
de modo que dicho peso es superior al del volumen desalojado, volumen
que en ningún caso supera el de la forma del submarino
Volvemos
a lo explicado sobre densidades, el submarino lleva compartimentos
que contienen aire (densidad 0,00129) y que además pueden ser
inundados con agua (densidad 1,025) a voluntad, lo que como vemos
aumenta el peso del submarino haciendo que éste se sumerja y
pudiendo hacer que la situación sea reversible, esto es llenar de
nuevo de aire, los compartimentos inundados, que como hemos dicho
reciben el nombre de tanques de inmersión o lastres, para conseguir
que de nuevo flote se debe de meter aire en esos tanques que primero
habíamos inundado para que se sumergiera, el aire para hacer que el
submarino vuelva a la superficie está almacenado en botellas
metálicas y comprimido con ayuda de unos compresores, que disminuyen
el volumen aumentando la presión, volumen que a su vez y en un
proceso inverso aumenta cuando ese aire es enviado hacia los tanques
disminuyendo la presión a la que se encontraba dentro de las
botellas, esta circunstancia desaloja el agua que contienen los
tanques de lastre y el submarino pasa a tener una flotabilidad
positiva que le devuelva a la superficie.
Para el caso de los
sumergibles y submarinos las diferencias de densidades entre océanos
y mares es muy importante y siempre se debe tener muy encuenta a la
hora de hacer inmersiones o salir de nuevo a la superficie pues no es
lo mismo lastrar un tanque para una inmersión en el Atlántico que
en el mar Báltico o ya en una latitud más alta en el mar de
Barents.
