Relación entre Densidad y Flotación: Diferencias y fórmula

¿Qué determina si un objeto se hunde o flota?

¿Por qué un cubo de madera flota cuando se coloca en un vaso de agua, pero un cubo de cobre del mismo tamaño que el cubo de madera se hunde? Todos los objetos del planeta están sujetos a la fuerza de la gravedad que atrae el objeto hacia la Tierra. La fuerza gravitacional empuja un objeto hacia abajo, hacia la Tierra. Cuando una persona coloca un cubo de madera o un cubo de cobre en un vaso de agua, la gravedad empujará el cubo hacia el fondo del vaso. Entonces, ¿qué impide que el cubo de madera sea arrastrado hasta el fondo del vaso y, al mismo tiempo, permite que el cubo de cobre sea arrastrado a través del agua y hacia el fondo del vaso por gravedad?

Flotabilidad

La respuesta es flotabilidad. La fuerza de flotación es la fuerza que ejerce un fluido sobre un objeto en dirección opuesta a la fuerza gravitacional e igual al volumen del fluido desplazado. Es como si la gravedad empujara el objeto hacia abajo a través del agua, pero todas las moléculas de agua en el vaso empujaran el objeto hacia arriba y lejos del fondo del vaso.

Principio de Arquimedes

El matemático griego Arquímedes explica este fenómeno en lo que ahora se llama Principio de Arquímedes. Cuando un objeto se coloca en un fluido, ese fluido ejercerá una fuerza sobre el objeto que es opuesta a la dirección de la gravedad. Esto es similar a dos personas empujándose una contra la otra. Si una persona es más fuerte que la otra, podrá alejarla. Si la fuerza de flotación es más fuerte que la gravedad, el objeto será empujado lejos del fondo del vaso y flotará. Si la fuerza de flotación es más débil que la gravedad, el objeto se hundirá. Cuando se coloca en un vaso de agua:

• La madera flotará porque la fuerza de flotación que actúa sobre ella es más fuerte que la fuerza de gravedad.
• El cobre se hundirá porque la fuerza de flotación que actúa sobre él es más débil que la fuerza de gravedad.

Cómo hacer que algo flote

Si muchos metales tienen una densidad mayor que el agua, lo que hace que se hundan, ¿cómo pueden los ingenieros diseñar grandes barcos flotantes hechos de metal? Los grandes cruceros y buques de carga están formados por miles de libras de metal. ¿Cómo flotan miles de libras si el metal es más denso que el agua? Pensemos en la flotabilidad. Los objetos grandes y menos densos flotan. Un barco de metal puede flotar debido a que su masa metálica se extiende sobre un área grande. Los barcos de metal no son 100% metal sólido. Por lo general, constan de una carcasa y un marco de metal, pero incluyen bolsas de aire y habitaciones dentro del barco.

Así, al aumentar el volumen o la superficie de la carcasa metálica del barco, pero no la masa, los ingenieros disminuyen la densidad relativa del barco en comparación con el agua. Una vez que la densidad total del barco, incluidas las bolsas de aire, la carga y los componentes metálicos, sea menor que la densidad del agua, el barco flotará. Por tanto, la fuerza de flotación del agua será mayor que la atracción gravitacional sobre el barco.

Aumentar el área de superficie y, a su vez, el volumen de cualquier objeto sin aumentar la masa del objeto disminuirá su densidad. Se puede hacer que casi cualquier material flote en el agua si se extiende sobre un área grande. La clave es hacer que la densidad del barco sea inferior a {eq}1 gramo/cm^3 {/eq}.

Resumen de la lección

Al determinar la flotabilidad de un objeto (si se hundirá o flotará), se debe determinar si la fuerza de flotación del líquido es lo suficientemente grande como para superar la fuerza gravitacional sobre el objeto. Esto se puede lograr calculando la densidad del objeto en comparación con la densidad del fluido, también conocido como Principio de Arquímedes. La densidad de un objeto es la medida de la masa de un objeto en relación con su volumen. La densidad se calcula dividiendo la masa por el volumen. Si la densidad del objeto es mayor que la densidad del fluido, la fuerza de flotación del objeto será menor que la fuerza de gravedad y se hundirá. Si la densidad del objeto es menor que la densidad del fluido, la fuerza de flotación del objeto será mayor que la fuerza de gravedad y flotará.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador