Flotabilidad

La capacidad de un líquido para mantener un objeto a flote se denomina flotabilidad (también conocida como flotación o carena). Se trata de la presión ejercida hacia arriba por un fluido sobre un cuerpo flotante. En la Figura 1, se ilustra el concepto de flotabilidad.

Medidas de la figura con su equivalente en el sistema métrico decimal:

• Área del pistón: 10 pulgadas cuadradas → 64.52 cm²
• Presión del agua: 1 libra por pulgada cuadrada (psi) → 6894.76 Pa (Pascales)
• Fuerza total sobre el pistón: 10 libras → 4.54 kgf
• Altura del agua: 2.31 pies → 0.70 m

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La figura 1. La flotabilidad se ilustra sumergiendo un cilindro que contiene un pistón sin fricción en el agua.

Figura 2. El centro de flotabilidad y el efecto de varias disposiciones de pesos

Medidas de la figura del sistema imperial al sistema métrico decimal:

• 4 libras → 1,81 kg
• 2 libras → 0,91 kg
• 2 pies → 60,96 cm
• 4 pies → 121,92 cm

Figura 3. Equilibrio con referencia al centro de flotabilidad (CB) y una adecuada distribución de los pesos.

En el diagrama, un cilindro abierto en ambos extremos está sumergido en agua hasta una profundidad de 2,31 pies (70,41 cm). Si se introduce un pistón hermético y sin fricción en el cilindro en el punto A y se libera, este se hundirá hasta el punto B y permanecerá suspendido en ese nivel.

Durante el descenso del pistón (ver Figura 1), la presión hacia arriba del agua sobre la cara inferior del pistón aumenta progresivamente. El pistón no desciende más allá del punto B, ya que en ese nivel la presión total hacia arriba sobre el pistón es igual a su peso. En este punto, el sistema (pistón + agua desplazada) se encuentra en equilibrio.

Las fuerzas involucradas son:

• Peso del pistón = 10 libras (4,54 kg)
• Presión del agua = 1 psi
• Área del pistón = 10 pulgadas cuadradas (64,52 cm²)

La presión total ejercida sobre el pistón en B es:

1 psi × 10 in² = 10 lb(4,54 kg)

Centro de flotabilidad

El centro de gravedad del líquido desplazado por un cuerpo sumergido se conoce como el centro de flotabilidad (CB).

En la Figura 2a, se muestra un bloque rectangular de madera flotando uniformemente en el agua. Como el volumen de agua desplazada hacia un lado es proporcional al volumen desplazado hacia el otro, el bloque se mantiene estable.

Cuando se coloca un peso en el centro de flotabilidad (CB), el bloque se sumerge en A y B a la misma profundidad (ver Figura 2b). Sin embargo, si el peso se coloca hacia la parte trasera (Figura 2c), el bloque se inclina y se sumerge más en esa zona. En consecuencia, el centro de flotabilidad se desplaza dependiendo de la posición y magnitud del peso.

Si se colocan dos pesos iguales (A y B en la Figura 2d) a igual distancia del centro de flotabilidad, el bloque permanece nivelado. En la práctica, no siempre es posible distribuir pesos de manera totalmente simétrica.

Por ejemplo, si un peso de 4 libras (1,81 kg) se coloca 2 pies (60,96 cm) hacia popa, y un peso de 2 libras (0,91 kg) se coloca 4 pies (121,92 cm) hacia adelante, se consigue mantener el equilibrio sin desplazar el centro de flotabilidad (Figura 3).

La Figura 3 muestra cómo el bloque de madera pivota sobre su centro de flotabilidad (CB). En este caso, el pivote actúa como punto de apoyo y los pesos generan momentos que pueden inclinar el sistema.

El momento de una fuerza es una medida de su efecto para producir rotación alrededor de un punto fijo. Se mide en libras-pie (lb·ft) cuando la fuerza se expresa en libras y la distancia en pies.

Ejemplo de momentos:

• Peso de 4 lb a 2 ft → Momento = 4 lb × 2 ft = 8 lb·ft (rotación antihoraria)
• Peso de 2 lb a 4 ft → Momento = 2 lb × 4 ft = 8 lb·ft (rotación horaria)

Dado que ambos momentos son iguales y opuestos, el bloque se encuentra en estado de equilibrio.

La Figura 4 ilustra el principio hidráulico de que la presión en libras por pulgada cuadrada (psi) es idéntica en recipientes con diferentes formas.

Figura 4. Principio hidráulico de que la presión, en libras por pulgada cuadrada, es idéntica para los contenedores que tienen formas diferentes.

Cuando el agua se vierte en contenedores de formas distintas, la intensidad de la presión en psi es la misma en el fondo de cada contenedor. Sin embargo, la presión total ejercida contra la base del contenedor es proporcional al área de la base.

• La cantidad total de líquido o su peso no afecta la intensidad de la presión si la altura de carga se mantiene constante.
• La presión total ejercida por el líquido contra la base de un contenedor puede ser mucho mayor o menor que el peso total del líquido.
• Este fenómeno es conocido como paradoja hidrostática.

Términos destacados :

Nota: hay que hacer notar que flotación y flotabilidad no son exactamente lo mismo, aunque están estrechamente relacionadas en el contexto de la física de los fluidos.

1. Flotabilidad (Buoyancy):

   • Es la propiedad de un fluido de ejercer una fuerza hacia arriba sobre un objeto sumergido.
   • Es una característica intrínseca de los líquidos y gases según el Principio de Arquímedes.
   • Se mide como la diferencia entre el peso del objeto y el peso del fluido desplazado.
   • Es un concepto general que explica por qué los objetos pueden flotar o hundirse.

2. Flotación (Floatation):

   • Es la acción o estado de un objeto flotando sobre un fluido.
   • Depende de la relación entre el peso del objeto y la fuerza de flotabilidad.
   • Es el resultado de la flotabilidad cuando la fuerza de empuje es igual o mayor que el peso del objeto.
   • Puede referirse a la estabilidad y equilibrio de un cuerpo flotante, como un barco o un globo aerostático.

• Flotabilidad es la propiedad que permite a un barco mantenerse a flote en el agua.
• Flotación es el estado del barco cuando efectivamente se mantiene en la superficie en equilibrio.

En resumen, la flotabilidad es la causa y la flotación es el efecto.