FLOTABILIDAD

Definición:

Es la capacidad de un cuerpo para sostenerse dentro de un fluido. Se dice que un cuerpo está en flotación cuando permanece suspendido en un fluido. Un objeto flotará sobre un fluido (ambos bajo el efecto de la fuerza de una gravedad dominante) siempre que el número de partículas que componen el objeto sea menor al número de partículas del fluido desplazadas.

La flotabilidad de un cuerpo dentro de un fluido estará determinada por las diferentes fuerzas que actúen sobre el mismo y el sentido de las mismas. La flotabilidad es positiva cuando el cuerpo tienda a ascender dentro del fluido, es negativa cuando el cuerpo tiende a descender dentro del fluido, y es neutra cuando se mantiene en suspensión dentro del fluido. La flotabilidad viene establecida por el Principio de Arquímedes.

Centro de flotabilidad

Ahora es momento de combinar estas ideas.

El centro de flotabilidad de un objeto flotante está relacionado con el concepto del centro de gravedad. Cuando un objeto está parcial o totalmente sumergido en un líquido, cierta cantidad de ese líquido se desplaza. El volumen del líquido desplazado es exactamente igual al volumen de toda la porción del objeto que está debajo de la superficie. La forma del volumen del líquido desplazado es también exactamente igual a la forma de la porción que está sumergida, ya que el mismo objeto está desplazando al líquido.

El centro de flotabilidad del objeto se localiza en el centro de gravedad del volumen del líquido desplazado. Es el punto a través del que parece actuar la fuerza de flotación ascendente.

Este diagrama muestra un bloque de madera que flota en agua. El centro de gravedad (CG) del bloque está en el centro geométrico del bloque, como lo estaba antes de que el bloque se colocara en el agua. El centro de flotabilidad (CB por su sigla en inglés) está en el centro de gravedad del agua desplazada.

El desafío es que te imagines la parte del bloque que está debajo del nivel del agua, sombreada en gris, sustituida por agua. Al hacer esto, sin embargo, se muestra exactamente cómo se ve el agua desplazada. En este caso, la forma del agua desplazada es la forma de la parte del bloque que está debajo de la superficie del agua.

El bloque flota a un nivel en el que desplaza exactamente el agua suficiente para crear una fuerza de flotación ascendente igual al peso descendente del bloque.

Nota: El bloque de madera flota debido al principio de Arquímedes. Puede desplazar suficiente agua para equilibrar su peso sin tener que sumergir todo su volumen para hacerlo. Otra forma de expresar esto consiste en que la densidad del material del bloque es menor que la del agua.

Fuerza de flotación

Un objeto en un líquido está sometido a una fuerza de apoyo ascendente llamada fuerza de flotación. A veces esta fuerza puede actuar como una fuerza de restablecimiento para evitar que un objeto flotante se vuelque. Veamos primero la idea general de una fuerza de flotación.

¿Has levantado alguna vez un objeto pesado bajo el agua y lo has llevado a la superficie? Si lo has hecho, es posible que hayas notado que el objeto parecía ser más pesado al sacarlo del agua. Era casi como si el agua ayudara a sostenerlo, siempre que estuviera dentro del agua. Veamos cómo puede pasar eso.

Cuando un objeto está completamente sumergido en agua, el agua ejerce presión contra sus lados, así como contra sus partes superior e inferior. A cualquier profundidad específica, la fuerza del agua que empuja contra los lados del objeto es la misma en todas las direcciones horizontales.

Sin embargo, la fuerza que el agua ejerce sobre la parte superior del objeto no es tan intensa como la fuerza del agua que empuja hacia arriba sobre el fondo del objeto. Esto se debe a que la presión del agua aumenta con la profundidad. La profundidad del agua en la parte superior del objeto es menor que la profundidad del agua en el fondo del objeto. Por lo tanto, la presión del agua que actúa sobre el fondo del objeto es mayor que la presión que el agua ejerce sobre la parte superior.

En el diagrama anterior, imagina que el objeto con forma de bloque está sumergido en agua. Las flechas horizontales etiquetadas como A representan la presión que el agua ejerce sobre los cuatro lados del objeto. Estas fuerzas son de la misma intensidad porque todas son creadas por la presión del agua a la misma profundidad.

Las flechas etiquetadas como B y C representan la fuerza del agua que ejerce presión hacia abajo sobre la parte superior y sobre el fondo del objeto. C se muestra como un poco más larga que B para indicar que la fuerza del agua que ejerce presión sobre el fondo del objeto es mayor que la fuerza del agua que ejerce presión hacia abajo sobre la parte superior del objeto. La presión de agua en el nivel del fondo del objeto es mayor que en la parte superior del objeto.

La diferencia entre la fuerza B descendente más pequeña y la fuerza C ascendente más grande es una fuerza ascendente neta que se opone a la gravedad. Esta es la fuerza de flotación, que hace que un objeto sumergido en agua parezca menos pesado que cuando está fuera del agua.

Esta fuerza de flotación también es la fuerza de apoyo para un objeto que flota en el agua.

Flotación y hundimiento

La flotación y el hundimiento se pueden explicar en términos de la fuerza de flotación. Imagina que colocas un bloque de material bajo el agua y lo sueltas. Si la fuerza de flotación ascendente sobre el bloque es mayor que el peso descendente del bloque, el bloque se elevará a la superficie y flotará. Por otra parte, si el peso del bloque es mayor que la fuerza de flotación, el bloque se hundirá hasta el fondo.

Ahora imagina que sumerges un bloque rectangular de agua envuelto en un material plástico muy delgado. Como antes, la fuerza ascendente sobre el fondo del “bloque” es mayor que la fuerza descendente sobre la parte superior, por lo que hay una fuerza de flotación ascendente que actúa sobre el bloque del agua. ¿Qué pasaría si soltaras el “bloque de agua”?

El resultado es que el “bloque de agua” no flotaría ni se hundiría. En ausencia de una corriente o un cambio de la temperatura, el agua generalmente se queda donde está. La fuerza de flotación es igual al peso del agua en el volumen del bloque.

Un bloque hecho de un material que es más denso que el agua se hunde porque el peso del bloque es mayor que la fuerza de flotación que actúa hacia arriba sobre el bloque.

Un bloque hecho de un material que es menos denso que el agua flota porque el peso del bloque es menor que la fuerza de flotación que actúa hacia arriba sobre el bloque si está completamente sumergido.

El bloque se hunde en el agua hasta que desplaza una cantidad de agua igual a su peso. En ese punto, la fuerza de flotación ascendente es exactamente igual al peso del bloque flotante.

En otras palabras, cuando un objeto está parcial o completamente sumergido en un líquido, desplaza cierto volumen de ese líquido. Es decir, la superficie del objeto mueve algo del líquido fuera de su lugar. La forma y el volumen del líquido desplazado son los mismos que la forma y el volumen de la parte del objeto que está sumergida.

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