Tan común que nadie lo explica: ¿por qué los barcos flotan?
Los objetos construidos para permanecer sobre el agua dependen menos del material que los forma que del volumen total que consiguen ocupar. Esa diferencia explica que una pieza compacta de metal se hunda, mientras una estructura mucho mayor pueda mantenerse en la superficie durante miles de kilómetros.
Los barcos flotan porque su casco hueco desplaza una cantidad de agua cuyo peso llega a igualar el del buque, de modo que el empuje ascendente equilibra la fuerza de la gravedad. La presencia de aire dentro de la nave reduce además su densidad media y permite que una masa formada en gran parte por acero no termine en el fondo.
El principio de Arquímedes explica el equilibrio sobre el agua
Arquímedes, científico griego nacido en el año 287 antes de Cristo, fue el primero que formuló el principio utilizado para explicar este comportamiento. Según esa relación, un objeto sumergido recibe hacia arriba una fuerza igual al peso del fluido que ha desplazado al ocupar su lugar. La gravedad tira del objeto hacia abajo, mientras la presión del agua genera el empuje ascendente desde la parte sumergida. Cuando ambas fuerzas alcanzan el mismo valor, el descenso se detiene y el cuerpo queda flotando.
La comparación entre un bloque de madera y otro de plomo ayuda a entender por qué la densidad influye en el comportamiento de un objeto cuando entra en el agua. La densidad indica cuánta masa se concentra en un mismo volumen, de manera que dos objetos pueden ocupar exactamente el mismo espacio y, aun así, tener pesos muy distintos.
Un ejemplo sencillo consiste en imaginar dos bloques con el tamaño de un cartón de leche de un litro. El de madera pesaría alrededor de 700 gramos, mientras que el de plomo superaría los 11 kilos. A pesar de tener las mismas dimensiones, la cantidad de materia que contiene cada uno es muy diferente. Esa diferencia hace que la madera pueda mantenerse parcialmente sobre la superficie, mientras que el plomo, al concentrar mucho más peso en el mismo volumen, termine hundiéndose.
Los barcos funcionan de una manera muy distinta porque no son bloques macizos de acero. Su casco ocupa un volumen enorme sin aumentar su masa en la misma proporción, ya que la estructura contiene grandes espacios llenos de aire. En su interior hay motores, combustible y la carga transportada, pero una parte muy importante del volumen corresponde a esos espacios vacíos y no a acero compacto.
Esa construcción reduce la densidad media del conjunto por debajo de la correspondiente al mismo volumen de agua. Cuando el buque entra en el mar, desciende hasta desplazar una masa de agua equivalente a su propio peso y se estabiliza en ese punto.
La cantidad transportada modifica la profundidad a la que queda el casco, ya que un buque cargado necesita desplazar más agua para equilibrar su mayor peso. Por eso un carguero vacío se mantiene más alto sobre la superficie, mientras otro lleno presenta una parte mayor de su estructura sumergida.
El Pioneering Spirit, el catamarán grúa y buque de construcción más grande del mundo, desplaza alrededor de 900.000 toneladas métricas de agua, una magnitud comparada con el peso de unos 300.000 elefantes.
El agua dentro del casco acaba con la flotación
La entrada de agua rompe el equilibrio que mantiene a flote un barco porque el aire que ocupa buena parte de su interior empieza a ser sustituido por agua. A medida que esos espacios dejan de estar llenos de aire, el peso total del buque aumenta sin que cambie su volumen exterior, por lo que su densidad media crece hasta superar la del agua que lo rodea.
Cuando eso ocurre, el empuje ya no resulta suficiente para compensar el peso y la embarcación comienza a hundirse. El Titanic sufrió ese proceso tras chocar con un iceberg al sur de Terranova en abril de 1912. El impacto abrió varias vías de agua en la proa y permitió que el mar fuera inundando distintos compartimentos. Conforme el agua ocupó cada vez más espacio dentro del barco, el aire fue desapareciendo y el buque perdió las condiciones que le permitían mantenerse a flote, hasta acabar descendiendo al fondo del océano.
La gravedad participa en las dos fuerzas enfrentadas, puesto que atrae al barco hacia abajo y también da peso al agua desplazada que ejerce presión hacia arriba. Esta relación permite entender por qué la flotación no depende únicamente de comparar materiales, aunque la densidad resulte útil para anticipar el comportamiento de un cuerpo en la Tierra.
Fuera de ese entorno, como ocurre en la Estación Espacial Internacional, el aceite y el agua dejan de ordenarse del modo habitual cuando la gravedad ya no domina el sistema. El equilibrio de un barco surge así de una condición física precisa entre su peso, el volumen de agua desplazado y la atracción gravitatoria.