Arquímedes

Un trasatlántico está hecho fundamentalmente de acero. Si se deposita una plancha de acero en el agua, se hunde. Entonces ¿por qué flotan los trasatlánticos?

La respuesta está basada en un conocido principio físico llamado Principio de Arquímedes, el cual trataremos de explicar a continuación.

Como parte de la explicación, y para entender de qué se trata, contaremos la siguiente anécdota:

La corona de oro del rey HerónSegún se cree, Arquímedes fue llamado por él el rey Herón de Siracusa, donde Arquímedes

vivió en el siglo III A.C., para dilucidar el siguiente problema.Se cuenta que el rey Herón de Siracusa le había entregado a un platero una cierta cantidad de

oro para con ella le hiciera una corona. Cuando estuvo terminada, se decía que el platero había sustituido una parte del oro por una cantidad equivalente de plata, devaluando con ello

la corona y engañando, pues, al rey.

El rey encargó a Arquímedes que descubriera si había sido engañado. El problema que Arquímedes debía resolver era determinar si el joyero había sustraído parte del oro o no, pero no podía romper la corona para averiguarlo. Arquímedes pensó arduamente cómo resolver el problema, sin poder encontrar una solución.Se dice que mientras se disponía a bañarse en una tina, en la que por error había puesto demasiada agua, al sumergirse en ella, parte del agua se derramó. Arquímedes se dio cuenta de que este hecho podía ayudarle a resolver el enigma planteado por Herón y fue tal su regocijo que, desnudo, salió corriendo de la tina gritando "¡Eureka, eureka!" (que significa "¡Lo encontré, lo encontré!"). En efecto, Arquímedes, con esta observación, dio origen a un método para determinar el volumen de distintos tipos de sólidos. Este método se conoce con el nombre de Medición de Volumen por Desplazamiento (de líquidos).Medición de Volumen por DesplazamientoEl volumen de un cuerpo es, hablando de manera simple, la cantidad de espacio que ese cuerpo ocupa.     Existen distintas maneras de determinar (medir) el volumen de los cuerpos.El siguiente método, es especialmente útil para medir el volumen de cuerpos sólidos impermeables, es decir, cuerpos sólidos que no absorben líquidos.El primer método para calcular el volumen es el matemático, y se emplea en cuerpos regulares, fácilmente medibles. Por ejemplo, una goma que puede tener 3 cm de largo, por 2 cm de ancho por un cm de alto: Se multiplica el largo (3) por el ancho (2) por el alto(1) y se obtiene el volumen en cm cúbicos:3 x 2 x 1 = 6 cm cúbicos  (6 cc)

Para explicar en segundo método, consideremos un cuerpo sólido impermeable como una goma de borrar, una bolita o una piedra. Supongamos que queremos determinar el volumen de una piedra.  (El método es igualmente útil para cualquiera de los otros dos objetos)

Una manera de determinar el volumen de la piedra consiste en tomar una probeta de unos 30 ml, por ejemplo (como la de la figura), y llenarla de agua hasta la marca de 20 ml. A continuación, se deposita la piedra dentro del agua. Una vez que la piedra se haya hundido completamente el nivel del agua habrá ascendido, desde los 20 ml iniciales a, digamos, 23 ml, por ejemplo.La diferencia de nivel determina el volumen de la piedra,  3 ml ó  3 cm3 o  3 cc (3 centímetros cúbicos), en este caso. Ya que la piedra no absorbe agua, el espacio que ocupa la piedra desplaza el agua hacia arriba y, de esta manera es posible determinar su volumen.Una forma ligeramente diferente de realizar la misma tarea, consiste en llenar de agua completamente un recipiente cualquiera y ponerlo sobre una cubeta. Después, se introduce la piedra al agua. Esto producirá un rebalse del agua que caerá en la cubeta. El agua que cayó en la cubeta se vierte en una probeta y se mide.El resultado de esa medición determina el volumen de la piedra. Este fue el resultado que encontró Arquímedes al bañarse en la tina. Es importante destacar que es posible utilizar este mismo método para determinar el volumen de cuerpos irregulares como una pera o una zanahoria, por ejemplo.

La explicación del porqué flotan los barcos es posible de comprender si, en un primer momento, se conoce el concepto de “Densidad”. La densidad es una propiedad física de toda la materia, y se refiere al nivel de compacidad de las sustancias. En otras palabras, la densidad hace alusión al grado en que las partículas individuales de la materia se encuentran unidas o separadas. De tal modo que mientras más unidas se encuentren estas partículas, entonces más densa será la sustancia.En segundo lugar, es necesario conocer otra propiedad física, el concepto de “Ligereza”. Todos hemos notado que al sumergirnos en una piscina nos sentimos más livianos, y además, que hay algunos objetos que tienen la habilidad de flotar. Esta habilidad de flotar en un fluido se denomina “Fuerza ligera” y se encuentra estrechamente relacionada al concepto recién mencionado de la densidad.Esta relación entre la fuerza ligera y la densidad se hace patente al sumergir objetos en algún fluido, como por ejemplo, en agua. Si el objeto sumergido en agua es menos denso que éste fluido, entonces flotará. Por el contrario, si es más denso que el agua o el fluido en el que está sumergido, entonces se hundirá. A modo de ejemplo es útil considerar un objeto de madera. La madera es menos densa que el agua, por eso puede flotar, mientras que un trozo de fierro, al ser más denso se hunde.Comienza a entenderse entonces la relación de todos estos conceptos con la pregunta del porqué flotan los barcos. Si bien existen barcos fabricados tanto en madera como en acero

se los ha construido también en otros materiales que podrían ser todavía mucho más densos que el agua. Sin embargo, existe otra sustancia que hasta el momento no se ha considerado, el aire.

Los grandes barcos, independientemente del material del que se encuentren fabricados contienen enormes espacios llenos de aire, sustancia que resulta ser menos densa que el agua, permitiendo así que esta gran construcción se mantenga a flote. En otras palabras, debido a estos grandes espacios de aire, la densidad total de los barcos resulta ser menor que la del agua, permitiendo a los barcos desplazarse tranquilamente sobre la superficie del agua.

Desde otra perspectiva, equivalente, se puede también decir que los barcos u otros objetos flotan debido a que la masa de agua desplazada es mayor que la masa del objeto en cuestión; este principio lo descubrió Arquímedes, un antiguo Griego. Si se da el caso contrario, el objeto se hunde. Estos principios, combinados con la forma adecuada del casco del barco, le dan a los buques estabilidad para desplazarse por las aguas.

Ley física que establece que cuando un objeto se sumerge total o parcialmente en un líquido, éste experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del líquido desalojado. La mayoría de las veces se aplica al comportamiento de los objetos en agua, y explica por qué los objetos flotan y se hunden y por qué parecen ser más ligeros en este medio.El concepto clave de este principio es el `empuje', que es la fuerza que actúa hacia arriba reduciendo el peso aparente del objeto cuando éste se encuentra en el agua.Por ejemplo, si un bloque metálico que posee un volumen de 100 cm3 se hunde en agua, desplazará un volumen similar de agua cuyo peso aproximado es 1 N. Por tanto, el bloque parecerá que pesa 1 N menos.Un objeto flota si su densidad media es menor que la densidad del agua. Si éste se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza (y, por tanto, el empuje) es mayor que su propio peso, y el objeto es impulsado hacia arriba y hacia fuera del agua hasta que el peso del agua desplazada por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante. Así, un bloque de madera cuya densidad sea 1/6 de la del agua, flotará con 1/6 de su volumen sumergido dentro del agua, ya que en este punto el peso del fluido desplazado es igual al peso del bloque.Por el principio de Arquímedes, los barcos flotan más bajos en el agua cuando están muy cargados (ya que se necesita desplazar mayor cantidad de agua para generar el empuje necesario).Además, si van a navegar en agua dulce no se pueden cargar tanto como si van a navegar en agua salada, ya que el agua dulce es menos densa que el agua de mar y, por tanto, se necesita desplazar un volumen de agua mayor para obtener el empuje necesario. Esto implica que el barco se hunda más.

La estabilidad en física e ingeniería, es la propiedad de un cuerpo que tiende a volver a su posición o movimiento originales cuando el objeto se aparta de la situación de equilibrio o movimiento uniforme, como resultado de la acción de unas fuerzas o momentos recuperadores. En un sistema móvil u oscilante, la estabilidad suele exigir tanto una fuerza recuperadora como un factor amortiguador. Si las fuerzas recuperadoras de un sistema oscilante eléctrico o mecánico (véase Oscilación), como por ejemplo un servomecanismo, no actúan en el momento correcto, y si la amortiguación no es suficiente, las fuerzas no pueden cumplir su función, con lo que el sistema se hace inestable y se descontrola. Las interacciones entre las fuerzas aerodinámicas oscilantes y estructuras como las superficies de control de un avión o los puentes colgantes de gran tamaño, pueden llevar a grandes vibraciones repentinas y desastrosas, conocidas como flameo. En el funcionamiento de una aeronave hay que considerar distintas formas de estabilidad. Entre ellas están: la estabilidad inherente, que es la capacidad del avión de volver a su posición de vuelo normal después de una pequeña perturbación sin necesidad de aplicar controles externos; la estabilidad longitudinal, que impide que la parte delantera cabecee arriba y abajo; la estabilidad direccional, que impide los movimientos laterales, o guiñadas, y la estabilidad lateral, muy relacionada con la anterior, que impide el balanceo en torno al eje del fuselaje. Una combinación de inestabilidad direccional y lateral puede llevar a un deslizamiento lateral y, en el caso de algunos aviones (sobre todo los de alas muy inclinadas hacia atrás), a una inestabilidad espiral. En ese caso, el avión adopta una inclinación lateral demasiado grande provocada por la guiñada y se desliza en ese sentido, con lo que su inclinación lateral sigue aumentando y el radio de giro sigue disminuyendo.