lunes, 23 de abril de 2012

1.- Un barco viaja desde el mar y entra en un río navegable, ¿donde se sumergirá mas el barco? ¿Porque?


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…. hundimiento
Bien 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.

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