¿Por qué flotan los barcos si son de metal? El truco de Arquímedes
Es una de las paradojas más intuitivas de la física: sueltas un clavo de acero en el agua y se hunde al instante. Pero un barco hecho del mismo acero, pesando 100,000 toneladas, flota tan tranquilo. ¿Cómo?
La respuesta tiene más de 2,000 años y empieza con un rey, una corona y un hombre gritando «¡Eureka!» corriendo desnudo por Siracusa. O eso cuenta la leyenda.
Imagen: Nortix08 (CC BY-SA 4.0) vía Wikimedia Commons
El principio de Arquímedes
Arquímedes de Siracusa (287–212 a.C.) descubrió que todo objeto sumergido en un fluido recibe un empuje hacia arriba igual al peso del fluido que desplaza. En cristiano: cuando metes algo al agua, el agua «pesa» lo que tu objeto empuja fuera de su lugar, y te empuja de vuelta con esa misma fuerza.
Si el empuje es mayor que el peso del objeto, flota. Si es menor, se hunde. Y aquí está el truco: lo que importa no es el material, sino cuánta agua desplaza.
El clavo desplaza apenas unos gramos de agua: el empuje es minúsculo y el acero, denso, gana. Se hunde. El barco, en cambio, tiene un casco enorme y hueco que desplaza miles de toneladas de agua. El empuje es colosal: suficiente para sostener el acero y todo lo que lleva encima.
La densidad: el verdadero secreto
Otra forma de verlo: un objeto flota si su densidad promedio es menor que la del agua. La densidad del acero es 7.8 veces la del agua —por eso el clavo se hunde—. Pero un barco no es un bloque de acero: es mayormente aire encerrado en una cáscara de acero.
Calcula la densidad promedio del barco completo (acero + aire interior + carga) dividida entre el volumen total que ocupa, y resulta menor que la del agua. El barco, como conjunto, es «más ligero» que el agua que desplaza. Por eso flota.
Es el mismo principio que explica [¿Cuánto pesa una nube?]: algo puede ser pesadísimo en total y aun así flotar si reparte su peso en suficiente volumen.
La línea que ningún barco debe cruzar
Si el barco flota porque desplaza agua, hay un límite: mientras más carga le pongas, más se hunde y más agua desplaza, hasta que el empuje iguala el peso. Pero si lo sobrecargas, el agua entra por la borda y se acabó.
Por eso todos los barcos tienen pintada la línea de Plimsoll (o marca de francobordo): unas rayitas en el casco que indican el nivel máximo de hundimiento permitido. Si el agua pasa esa línea, el barco va sobrecargado y es peligroso. Es ley internacional desde el siglo XIX, y le debe el nombre a Samuel Plimsoll, el político británico que la impulsó tras ver demasiados naufragios por sobrecarga.
También importa dónde va el peso: si la carga está mal distribuida, el barco se inclina. Los barcos modernos llevan tanques de lastre que se llenan o vacían de agua para mantener el equilibrio, como un funambulista ajustando su balancín.
¿Y si se voltea?
Un barco bien diseñado es sorprendentemente difícil de volcar. Su centro de gravedad está bajo (motores y lastre abajo) y el casco tiene forma que genera un «momento adrizante»: si una ola lo inclina, el empuje del agua desplazada lo empuja de vuelta a la posición vertical.
Imagen: Erik Pevernagie (CC BY-SA 3.0) vía Wikimedia Commons
Claro, todo tiene límite: olas gigantescas de costado pueden vencer ese efecto. Por eso existieron desastres como el del Costa Concordia en 2012. Pero en condiciones normales, la física trabaja a favor del barco.
Los submarinos: flotar a voluntad
Si un barco flota por desplazar agua, ¿cómo se hunde un submarino a propósito? Con el mismo principio, pero al revés: los submarinos tienen tanques de lastre que inundan con agua para volverse más densos que el mar y hundirse, o vacían con aire comprimido para volverse menos densos y emerger. Flotan, se hunden y se mantienen a profundidad jugando con su densidad promedio.
Es el principio de Arquímedes con esteroides: controlar la flotación en lugar de solo aprovecharla.
¿Y los aviones? La otra cara de la moneda
Un avión de 400 toneladas también «flota», pero en aire. En vez del empuje del agua usa la sustentación: sus alas están diseñadas para que el aire pase más rápido por arriba que por abajo, creando una diferencia de presión que lo empuja hacia arriba. Distinto fluido, distinta física, misma idea de vencer a [¿Qué es la gravedad y cómo funciona?].
Por eso Cómo vuela un avión (sin ser piloto) y este artículo son primos: uno flota en agua desplazándola, el otro «nada» en aire a 900 km/h.
¿Por qué se hunden los barcos?
Si flotar es desplazar suficiente agua, hundirse es dejar de hacerlo. Las causas clásicas:
- Vía de agua: un agujero bajo la línea de flotación deja entrar agua, el barco pierde volumen de aire, su densidad promedio sube y el empuje ya no alcanza. El Titanic se hundió así en 1912 tras rozar el iceberg: no fue el golpe, fue el agua entrando durante horas.
- Sobrecarga: más peso del permitido hunde el casco hasta que el agua entra por la borda. Para eso existe la línea de Plimsoll.
- Corrimiento de carga: si la carga se mueve a un lado en una tormenta, el barco se escora (inclina) y puede entrar agua por donde no debe.
En todos los casos, la física es la misma: en cuanto el peso supera el empuje máximo, el mar gana.
El experimento de la bañera
Puedes comprobar el principio en tu casa: toma un trozo de plastilina y haz una bolita compacta. Se hunde. Ahora moldea la misma plastilina en forma de barquito hueco. Flota. Mismo material, mismo peso, distinto volumen desplazado.
Arquímedes lo entendió en una bañera hace 2,200 años —según la leyenda, notó que el agua subía al meterse y salió corriendo a contarlo—. El acero no flota; las formas huecas llenas de aire sí. Y con ese truco tan simple, la humanidad cruza océanos enteros.