El principio de Arquímedes

• Comprender el principio de Arquímedes y observar sus efectos en diferentes objetos con distintas densidades

En física, la flotabilidad es la fuerza ascendente que ejerce sobre un objeto el líquido o gas que lo rodea y en el que está total o parcialmente sumergido, debido a la diferencia de presión del fluido entre la parte superior y la inferior del objeto.

La fuerza neta de flotación ascendente es igual a la magnitud del peso del fluido desplazado por el cuerpo. Esta fuerza permite que el objeto flote o, al menos, que parezca más ligero.

La flotabilidad es importante para muchos vehículos, como barcas, barcos y globos, y desempeña un papel fundamental en diversos fenómenos naturales, como la sedimentación. El principio de Arquímedes recibe su nombre de Arquímedes de Siracusa, quien descubrió por primera vez la siguiente ley aplicable a un cuerpo sumergido en un líquido.

«Cualquier objeto, total o parcialmente sumergido en un fluido, recibe una fuerza de flotación igual al peso del fluido desplazado por dicho objeto».

La presión aumenta con la profundidad por debajo de la superficie de un líquido. Cualquier objeto cuya profundidad vertical sea distinta de cero experimentará presiones diferentes en su parte superior e inferior, siendo la presión en la parte inferior mayor. Esta diferencia de presión es la que provoca la fuerza de flotación hacia arriba.

Donde ρ es la densidad del fluido, h es la profundidad (altura negativa) y g es la aceleración de la gravedad estándar (9,8 N/kg en la Tierra).

Un objeto cuya densidad media sea mayor que la del fluido tiene menos empuje que peso y, por lo tanto, se hundirá. Un barco flota porque, aunque está hecho de acero —que es más denso que el agua—, contiene un volumen de aire y la forma resultante tiene una densidad media inferior a la del agua.

Si el peso de un objeto es inferior al peso del fluido desplazado cuando está completamente sumergido, entonces el objeto tiene una densidad media inferior a la del fluido y una flotabilidad superior a su propio peso.

Si el fluido tiene una superficie, como el agua de un lago o del mar, el objeto flotará a un nivel en el que desplace el mismo peso de fluido que el propio peso del objeto. Si el objeto está sumergido en el fluido, como un submarino sumergido o el aire de un globo, tenderá a ascender.

Si el objeto tiene exactamente la misma densidad que el fluido, su empuje hidrostático será igual a su peso. Permanecerá sumergido en el fluido, pero ni se hundirá ni flotará. Un objeto con una densidad media superior a la del fluido tiene un empuje hidrostático menor que su peso y, por lo tanto, se hundirá.

Un barco flota aunque esté fabricado con acero (que es mucho más denso que el agua), porque contiene un volumen de aire (que es mucho menos denso que el agua) y la forma resultante tiene una densidad media inferior a la del agua.

Un barco flota gracias a la flotabilidad, tal y como describe el principio de Arquímedes.

• Probeta graduada, de forma alta con pico vertedor. Capacidad: 100 x 1 ml, vidrio de borosilicato — MEC-001
• Varilla con gancho, diámetro 10 mm, longitud 127 mm — MEC-034
• Balanza de resorte tubular, de plástico (dinamómetro), rango de 2,5 N — MEC-015
• Masa cilíndricas con gancho (10, 25, 50 g) — MEC-018, MEC-019, MEC-020
• Colorantes alimentarios — MEC-057

• ¿De qué propiedad física depende la flotabilidad que se deriva del principio de Arquímedes?
• ¿Se dice que un cuerpo sumergido en un líquido se encuentra en equilibrio cuando la flotabilidad es mayor, menor o exactamente igual a su peso?
• La flotabilidad es una fuerza que tiene la misma dirección que el peso. ¿Qué dirección se supone que tiene?
• Según lo que has observado en este experimento, y extrapolando estas consideraciones a los fluidos, ¿los cuerpos con una densidad menor que la del aire flotarán, serán empujados hacia arriba o caerán por efecto de la gravedad?