Cos’è la galleggiabilità?

La galleggiabilità è la capacità di un oggetto di galleggiare in un liquido. La relazione tra il peso dell’oggetto e il peso dell’acqua spostata è ciò che determina se l’oggetto galleggerà; sebbene le dimensioni e la forma dell’oggetto abbiano un effetto, non sono la ragione principale per cui un oggetto galleggia o affonda. Se un oggetto sposta più acqua del suo peso, galleggerà. La galleggiabilità è un fattore importante nella progettazione di molti oggetti e in una serie di attività acquatiche, come la nautica o le immersioni subacquee.

Il principio di Archimede

Al matematico Archimede, vissuto nel III secolo a.C., viene attribuito il merito di aver scoperto gran parte del funzionamento del galleggiamento. Secondo la leggenda, un giorno si stava facendo un bagno e notò che più si immergeva nell’acqua, più il suo livello saliva. Si rese conto che il suo corpo stava spostando l’acqua nella vasca. Successivamente, ha stabilito che un oggetto sott’acqua pesava meno di un oggetto in aria. Attraverso queste e altre realizzazioni, stabilì quello che divenne noto come il Principio di Archimede:
Un oggetto in un fluido viene sollevato da una forza pari al peso del fluido spostato dall’oggetto.
Galleggiabilità positiva, negativa e neutra

Un oggetto che galleggia in un liquido galleggia positivamente. Ciò significa che la quantità di acqua spostata dall’oggetto pesa più dell’oggetto stesso. Ad esempio, una barca che pesa 50 libbre (23 kg) ma sposta 100 libbre (45 kg) di acqua galleggerà facilmente. La barca sposta più acqua del suo peso in parte a causa delle sue dimensioni e forma; la maggior parte dell’interno di una barca è aria, che è molto leggera. Questo spiega perché galleggiano enormi transatlantici: finché l’acqua spostata peserà più delle navi stesse, non affonderanno.

La galleggiabilità negativa è ciò che fa affondare gli oggetti. Si riferisce a un oggetto il cui peso è maggiore del peso del liquido che sposta. Ad esempio, un sassolino può pesare 25 grammi, ma se sposta solo 15 grammi di acqua, non può galleggiare. Se la barca da 50 libbre (23 kg) fosse caricata con 75 libbre (34 kg) di carico, non galleggerebbe più perché il suo peso (125 libbre o 56.69 kg) è più pesante del peso dell’acqua che sposta (100 libbre o 45kg).

È anche possibile che un oggetto sia a galleggiamento neutro. Ciò significa che il peso dell’oggetto e la quantità di liquido che sposta sono all’incirca uguali. Un oggetto a galleggiamento neutro si libra nel liquido, senza affondare né galleggiare. Un sottomarino può regolarne il peso aggiungendo o espellendo acqua in speciali serbatoi chiamati serbatoi di zavorra. Bilanciando opportunamente la sua zavorra, il sottomarino può librarsi a vari livelli sotto la superficie dell’acqua senza affondare.

Dimensione e forma

Quanto della superficie di un oggetto tocca l’acqua ha un effetto sulla sua galleggiabilità. Una nave molto grande ha molta superficie, il che significa che il peso della nave è distribuito su molta acqua, il che spinge verso l’alto sulla nave. Se la stessa nave fosse in acqua con la prua rivolta verso il basso, inizierebbe ad affondare perché tutto il peso è concentrato in una piccola area e l’acqua che sta spostando pesa meno del peso della nave.

Un esempio comune usato per dimostrare questo è una persona che galleggia nell’acqua. Se la persona galleggia sulla schiena, tutto il suo corpo può rimanere vicino o vicino alla superficie dell’acqua. Quando galleggia nell’acqua con i piedi verso il basso, affonderà più lontano; in genere, solo la parte superiore del corpo rimarrà in cima all’acqua.
Stabilità
La stabilità in un fluido dipende dalla posizione del centro di galleggiamento di un oggetto rispetto al suo centro di gravità. Il centro di gravità di un oggetto è il punto nell’oggetto in cui tutto il peso dell’oggetto sembra essere concentrato; può anche essere pensato come la posizione media del peso dell’oggetto. Il centro di galleggiamento è il baricentro dell’acqua che l’oggetto ha spostato. Questo non è nell’acqua, ma nell’oggetto che galleggia su di essa.

Quando il centro di galleggiamento è direttamente sopra il centro di gravità, l’oggetto sarà stabile. Se, tuttavia, il baricentro è al di sopra del centro di galleggiamento, come in una nave caricata con merci in alto sopra la linea di galleggiamento, allora l’oggetto diventa instabile. Se il carico si sposta da un lato per qualsiasi motivo, il baricentro e il centro di galleggiamento non si allineeranno più. La nave si ribalta mentre il centro di galleggiamento cerca di rialzarsi al di sopra del centro di gravità.
Nel corpo umano, il baricentro è solitamente nella zona dell’ombelico. Il centro di galleggiamento è leggermente più alto, motivo per cui un corpo tende a galleggiare in posizione eretta con le spalle e il busto sopra le gambe. Capovolto, dove le gambe sono sopra il busto, il baricentro del corpo è sopra il centro di galleggiamento. Questo rende il corpo instabile e la posizione può essere mantenuta solo attraverso lo sforzo.

Galleggiabilità in pratica
Applicando i principi della galleggiabilità, gli ingegneri possono progettare barche, navi e idrovolanti che rimangono a galla e stabili nell’acqua. Questo è vero per molti altri oggetti, come salvagenti e pontoni. Quasi tutto ciò che è progettato per l’acqua si basa sulla comprensione di questi principi.
Molti nuotatori sanno che ci sono modi per rendere i loro corpi più galleggianti, come sdraiarsi sulla schiena o trattenere il respiro. Inoltre, provare a tuffarsi sul fondo di una piscina richiede uno sforzo perché il corpo galleggia naturalmente. I subacquei in particolare devono sapere come galleggiare, librarsi e affondare e spesso indossano pesi extra e altri attrezzi per aiutarli a gestire queste manovre.