Equilibrio de los cuerpos flotantes. ¿es suficiente que un cuerpo flote o que un submarino se sumerja entre dos aguas para una buena navegación?

Autores:

José Antonio Martínez Pons
jamartinez46@outlook.es

El experimento se desarrollará en varias fases, previamente a su realización se pedirá la colaboración de algún asistente o alumno.

Para que un cuerpo navegue bien debe flotar y tomar una posición de equilibrio determinada y estable

A) Vamos a construir las maquetas de un submarino con un tubo de ensayo de plástico tapado al que se acopla torrecilla (vela) de madera o plástico pegada con cianoacrilato. A otro tubo taponado se harán marcas. Botados ambos modelos. ¿Qué le ocurrirá al tubo sin torreta si lo hacemos girar levemente sobre su eje longitudinal? ¿Y al que tiene “vela”? ¿Cómo se habrá comportado si la vela en vez de ser de madera fuera de hierro?[i]

B) Como conseguir la estabilidad :


Bajar lo más posible el centro de gravedad del barco. ¿Por qué? Lastramos con un poco de plastilina uno de los submarinos (ver foto). ¿Se hundirá más o menos? ¿Se mantendrá más estable? ¿Qué ocurrirá si acumulamos la plastilina en la parte de proa? [

 C) Con la maqueta del Titánic. ¿Por qué se compartimenta un navío? ¿Por qué construyen con doble casco?[iii] Se resaltará lo importante que es el equilibrio de los pesos. Explicando que el Titánic posiblemente se hundió porque al tratar de esquivar el iceberg las vías de agua afectó a varios compartimentos desequilibrando el barco. ¿Qué hubiera pasado si hubiera chocado de frente?[iv]

D)  Los submarinos se sumergen y emergen controlando la cantidad de agua que embarca en sus tanques de lastre como hacen los peces teleósteos que con un órgano llamado, vejiga natatoria, pueden regular el volumen desplazado y por eso pueden mantenerse en flotabilidad neutra (“entre dos aguas”).

 

E)  El submarino es un medio de guerra cuya arma es el torpedo. Cuando lo dispara debe embarcar una masa de agua equivalente. ¿Qué ocurriría si al disparar una salva de cuatro torpedos este dispositivo fallase ¿Por qué el submarino del pionero Cosme García llevaba suspendido en su parte inferior y aproximadamente en la vertical de su centro de gravedad, un peso que en caso de accidente podía soltarse?[v]

 

F)  Si un submarino se hunde muy por debajo de sus límites de seguridad sin inundarse ¿se convertirá, en un “churro” o en un “bacalao”?

G)  Se mostrará una bebida carbónica envasada en frasco transparente ¿Por qué no se aprecian las burbujas de una bebida carbónica tapada y s aparecen cuando se destapa? ¿Por qué cuando un buceador que respira aire comprimido sube muy rápidamente debe someterse a descompresión?[vi]

H) Volvemos a la estabilidad de los barcos. Si se lastrará un tubo en el sentido vertical con plastilina se puede conseguir que el tubo flote verticalmente. Y si se separa de la vertical el dispositivo oscila en torno a esa vertical. ¿Por qué?[vii]

I)  Puede mostrarse un densímetro como ejemplo o construirse uno artesanal, que deberá calibrarse.

J)  Los catamaranes son unos navíos especialmente estables. Son naves de dos cascos unidos por una estructura. Este mismo sistema se utiliza también en los hidroaviones.

Se mostrará uno construido con dos tubos de ensayo debidamente cerrado y unidos mediante unos listoncitos. ¿Por qué se recupera el equilibrio al separarse de ella?[viii]


[viii] Cuando el catamarán está equilibrado sobre cada flotador actúa una fuerza de empuje igual a la mitad del peso del conjunto. Cuando s e desestabiliza uno de los flotadores se sumerge algo más en el agua, desplazando un poco más por lo tanto la fuerza de empuje que actúa sobre él será un poco más que la mitad que el peso, mientras que sobre el otro ocurre lo contrario, por tanto, sobre el barco aparecerá un momento que tenderá a hacerlo recuperar el equilibrio.

 

 

 

 

Fuerzas que actúan sobre los dos cuerpos del catamarán. Cuando escora el barco, el peso de ambos sigue igual pero el que emerge un poco desplaza  menos fluido por tanto sufre un empuje menor y con el otro ocurre lo contrario.

Esquema del desequilibrio de un portaviones donde se muestra que no es necesario que el centro de empuje esté por encima del centro de masas, basta con que la vertical que pasa por él corte al eje de simetría del barco que pasa por el centro de masas por encima de éste.

 

 

 



[v] Si el submarino embarcaba agua, al soltarse este peso, su peso disminuía y la nave recuperaba algo de flotabilidad, además en esta posición no se desequilibraba.

[vi] Cuando el submarino se sumerge las fuerzas debidas a la presión actúan perpendicularmente a la superficie del casco y da la profundidad son muy, en consecuencia, no aplastan, sino que estrujan la nave, la convierten pues en un churro. Los pecios semejantes no se aplastan debido a que están prácticamente inundados y por tanto la presión interior y la exterior son iguales, en el submarino si no sufre vías de agua, la parte interior del casco, sin inundar, estará a una presión aproximada de 1atm.

La solubilidad de los gases en los líquidos es proporcional a la presión por tanto dentro la botella la presión es relativamente alta y el gas está disuelto, cuando se destapa la botella la presión disminuye bruscamente y la solubilidad del mismo disminuye por lo que se forman las burbujas. En un buceador sobre todo si respira aire, mezcla de oxígeno y nitrógeno, cuando se sumerge la presión aumenta a razón de aproximadamente 1 atm cada 10 m y la presión sanguínea aumenta en consecuencia,, éste se disuelve en la sangre pero si sube muy rápidamente la presión disminuye igualmente y se forman burbujas de nitrógeno que el organismo no puede eliminar al mismo ritmo que se producen y pueden causar graves problemas, incluso la muerte del buceador, por ello debe someterse a un proceso de descompresión que consiste en introducirle en una cámara a presión elevada que poco a poco va disminuyendo hasta alcanzar la presión normal.

[vii] Sobre el tubo actúan fundamentalmente dos fuerzas, por un lado, su peso que se aplica en el centro de gravedad del tubo y el empuje que se aplica en el centro de gravedad geométrico de la parte sumergida. Puesto que el tubo flota ambas fuerzas son iguales y de sentido contrario. Si se aparta ligeramente de la posición de equilibrio, la posición vertical del tubo, entonces se genera un par que dadas la posición de ambos puntos de aplicación tiende a devolver el tubo a su posición de equilibrio.




[iii] La compartimentación tiene por objeto principal que en caso de producirse una vía de agua en el casco pueda aislarse el compartimento de modo que no embarque demasiada agua y no ponga en peligro la flotabilidad del navío. El doble casco tiene por objeto en los barcos no sumergibles, por una parte, dar ciertas garantías que, si por un accidente se produce un choque con una roca o como es el caso del Titánic, el rajado del casco exterior no afecte al interior de modo que quede éste íntegro. Además, a la inversa se evitan vertidos de combustible de los depósitos del barco al mar.

[iv] Si el barco hubiera chocado de frente posiblemente solo se habrían dañado los primeros compartimentos de modo que habría embarcado poca agua y su estabilidad no se habría visto comprometida. Al tratar de esquivar el iceberg, parece ser que este produjo vías en varios compartimentos. De hecho, el Titánic tardó bastante tiempo en hundirse.


[ii] Se observan los dos submarinos, el sin lastre que vuelca y no se mantiene en su posición y el lastrado que, aunque se sumerge un poco más pero en posición correcta que recupera si se aparta algo de ella. Si la plastilina no está bien distribuida, es posible que siga flotanto pero desequilibrado, hundiendo más su parte delantera.




[i] El tubo sin vela se quedará aproximadamente como lo dejamos, el que tiene “vela” se escorará hasta que la vela quede flotando sobre el agua. Si fuera de metal giraría hasta quedar invertido.

¿Qué se pretende demostrar?


    • Para que un barco sea útil, debe flotar en una determinada posición y si alguna perturbación le separa de ella, debe recuperarla.

    • El submarino es un navío destinado a navegar “entre dos aguas conservando además su posición estabilizada.

    • Se muestran algunos ejemplos sencillos en los que se explica muy elementalmente como deben construirse los barcos y porqué muchas veces la pérdida del equilibrio puede traducirse en el hundimiento de la nave.

    Dirigido a:


      • X Gran Público

      • X Primaria

      • X Secundaria

      • X Universidad 

      Materiales necesarios:


      Ø  Maqueta del Titánic y de submarinos en este caso se han utilizado dos maquetas a escala aproximada 1:350 de un submarino, mejor sumergible, alemán del tipo VIIC porque uno de ellos prestó servicio en la Armada Española bajo las denominaciones de “G 7” y posteriormente S01. Una vez más se ha sacrificado la perfección y detallado a la resistencia y manejo fácil. No es imprescindible utilizar estas maquetas.


      Ø   Tubos de ensayo de plástico y con tapones que ajusten bien. A algunos de ellos se les acoplará una torrecilla de madera (vela). Con otros dos y unos palitos de helado se construirá un catamarán.


      Ø  Plastilina.


      Ø  Un vaso transparente lo más cilíndrico posible.


      Ø  Aceite de oliva.


      Ø  Alcohol de 96º.


      Ø  Cuentagotas.


      Ø  Una caja de plástico transparente rectangular y cuya superficie de la cara abierta sea aproximadamente el doble de la del barco y el vaso alto.


      Ø  Pajitas de bebida y palos planos de helado.


      Ø  Unos pedacitos de madera y pegamento de cianoacrilato o epóxico. (lo necesitará el profesor)


      Ø  Una bebida carbónica en botella transparente.


      Ø  Densímetro (no es imprescindible).


      Ø  Balanza.

      Riesgos:

      Evidentemente con estos experimentos no hay riesgo ninguno, salvo mancharse 

      Para saber más:

      Revista Anales de la Real Sociedad Española de Química Enero marzo 2003, pag 53-60

      Observaciones:

      Una explicación rigurosa del metacentro y del par metacéntrico así como otros dispositivos que coadyuvan a garantizar la estabilidad de un barco se ha considerado un tanto compleja para incluirla en este proyecto Se podría sugerir una representación a escala de la sección transversal de un barco, hallar su centro de masas y hacer lo mismo con la sección de la parte sumergida a la misma escala y ver si el barco será estable o no. Obsérvese que mientras que la distribución de pesos de un barco no es uniforme, la del agua desplazada por el barco siempre tendrá densidad constante.