La flotabilidad es la capacidad de un objeto de flotar en un líquido. La relación del peso del objeto con el peso del agua desplazada es lo que determina si el objeto flotará; aunque el tamaño y la forma del objeto tienen un efecto, no son la razón principal por la que un objeto flota o se hunde. Si un objeto desplaza más agua que su peso, flotará. La flotabilidad es un factor importante en el diseño de muchos objetos y en una serie de actividades acuáticas, como la navegación o el buceo.
El principio de Arquímedes
Al matemático Arquímedes, que vivió en el siglo III a. C., se le atribuye haber descubierto gran parte de cómo funciona la flotabilidad. Según la leyenda, un día se estaba bañando y notó que cuanto más se sumergía en el agua, más subía su nivel. Se dio cuenta de que su cuerpo estaba desplazando el agua de la bañera. Más tarde, determinó que un objeto bajo el agua pesaba menos que un objeto en el aire. A través de estas y otras realizaciones, estableció lo que llegó a conocerse como el Principio de Arquímedes:
Un objeto en un fluido es impulsado por una fuerza igual al peso del fluido que el objeto desplaza.
Flotabilidad positiva, negativa y neutra
Un objeto que flota en un líquido flota positivamente. Esto significa que la cantidad de agua desplazada por el objeto pesa más que el objeto en sí. Por ejemplo, un bote que pesa 50 libras (23 kg) pero desplaza 100 libras (45 kg) de agua flotará fácilmente. El bote desplaza más agua que su peso en parte debido a su tamaño y forma; la mayor parte del interior de un barco es aire, que es muy ligero. Esto explica por qué flotan enormes transatlánticos: mientras el agua desplazada pese más que los propios barcos, no se hundirán.
La flotabilidad negativa es lo que hace que los objetos se hundan. Se refiere a un objeto cuyo peso es mayor que el peso del líquido que desplaza. Por ejemplo, un guijarro puede pesar 25 gramos, pero si solo desplaza 15 gramos de agua, no puede flotar. Si el bote de 50 libras (23 kg) se cargara con 75 libras (34 kg) de carga, ya no flotaría porque su peso (125 libras o 56.69 kg) es más pesado que el peso del agua que desplaza (100 libras o 45 kg).
También es posible que un objeto tenga flotabilidad neutra. Esto significa que el peso del objeto y la cantidad de líquido que desplaza son aproximadamente iguales. Un objeto con flotabilidad neutra flotará en el líquido, ni se hundirá ni flotará. Un submarino puede ajustar su peso agregando o expulsando agua en tanques especiales llamados tanques de lastre. Al equilibrar adecuadamente su lastre, el submarino puede flotar a varios niveles bajo la superficie del agua sin hundirse.
Tamaño y forma
La cantidad de superficie de un objeto que toca el agua tiene un efecto sobre su flotabilidad. Un barco muy grande tiene mucha superficie, lo que significa que el peso del barco se distribuye sobre una gran cantidad de agua, todo lo cual empuja hacia arriba el barco. Si el mismo barco estuviera en el agua con la proa apuntando hacia abajo, comenzaría a hundirse porque todo el peso se concentra en un área pequeña y el agua que está desplazando pesa menos que el peso del barco.
Un ejemplo común utilizado para demostrar esto es una persona flotando en el agua. Si la persona flota boca arriba, todo su cuerpo puede permanecer en la superficie del agua o cerca de ella. Cuando flote en el agua con los pies hacia abajo, se hundirá más; normalmente, solo la parte superior de su cuerpo permanecerá en la superficie del agua.
Estabilidad
La estabilidad en un fluido depende de la ubicación del centro de flotabilidad de un objeto en relación con su centro de gravedad. El centro de gravedad de un objeto es el punto en el objeto donde todo el peso del objeto parece estar concentrado; también se puede considerar como la ubicación promedio del peso del objeto. El centro de flotabilidad es el centro de gravedad del agua que el objeto ha desplazado. Esto no está en el agua, sino en el objeto que flota sobre ella.
Cuando el centro de flotabilidad está directamente encima del centro de gravedad, el objeto estará estable. Sin embargo, si el centro de gravedad está por encima del centro de flotabilidad, como en un barco que se carga con carga muy por encima de la línea de flotación, el objeto se vuelve inestable. Si la carga se desplaza hacia un lado por cualquier motivo, el centro de gravedad y el centro de flotabilidad ya no se alinearán. El barco se volcará cuando el centro de flotabilidad intente elevarse nuevamente por encima del centro de gravedad.
En el cuerpo humano, el centro de gravedad suele estar en la zona del ombligo. El centro de flotabilidad es un poco más alto, por lo que un cuerpo tiende a flotar erguido con los hombros y el torso por encima de las piernas. Invertido, donde las piernas están por encima del torso, el centro de gravedad del cuerpo está por encima del centro de flotabilidad. Esto hace que el cuerpo sea inestable y la posición solo se puede mantener con esfuerzo.
Flotabilidad en la práctica
Al aplicar los principios de flotabilidad, los ingenieros pueden diseñar botes, barcos e hidroaviones que permanezcan a flote y estables en el agua. Esto es cierto para muchos otros objetos, como salvavidas y pontones. Casi cualquier cosa diseñada para el agua se basa en la comprensión de estos principios.
Muchos nadadores saben que hay formas de hacer que sus cuerpos floten más, como acostarse boca arriba o contener la respiración. Además, intentar sumergirse hasta el fondo de una piscina requiere esfuerzo porque el cuerpo flota de forma natural. Los buceadores, en particular, necesitan saber cómo flotar, flotar y hundirse, y a menudo usan pesos adicionales y otro equipo para ayudarlos a manejar estas maniobras.