Resumen

Mi interés en los barcos empezó con el tema del hundimiento del Titanic, las primeras investigaciones que  realice principalmente en videos,  me llevaron a preguntarme: ¿Por qué flotan los barcos? Son muy grandes  construidos de acero y pesan  miles de toneladas, sin embargo, flotan en el agua. Así, esta investigación muestra porque algunos objetos flotan y otros se hunden de acuerdo con el principio de Arquímedes, “cualquier cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido es empujado hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del fluido que desaloja” (3) Para ello se realizó una fase experimental que muestra como las variables de masa, volumen y densidad de los cuerpos, se relacionan para entender el fenómeno físico de la flotación.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

¿Por qué flotan los barcos? es la interrogante que surge para mi investigación, muchos hemos observado este fenómeno cuando vamos al mar y vemos los barcos navegar, son muy grandes, están hechos de acero que es muy pesado y sin embargo pueden flotar, es por eso que quiero investigar y dar a conocer cómo se lleva a cabo el fenómeno de flotación, realizando experimentos con diferentes objetos que flotan o se hunden y midiendo las variables que hacen eso posible.

Fotografía

Fotografía 1. El Titanic. (Tomada de dominio público, en internet)

Antecedentes

“Los barcos y los botes no se hunden en el mar, ni en los ríos caudalosos. Claro nos estamos refiriendo en condiciones normales. Sin embargo hay cuerpos que se van al fondo”.(1)

“un barco que es muy pesado, flota debido a que la parte sumergida desplaza un volumen de agua que pesa tanto como el barco. Un empuje enorme para hacer flotar un enorme barco”. (1)

Los barcos flotan porque son menos densos que el agua.

Si bien es cierto que la inmensa mayoría de los barcos son de metal (el cual se hunde con gran facilidad), éstos ocupan un gran volumen. Ahora bien, ¿qué es la densidad? Densidad es la cantidad de materia que existe por unidad de volumen.

Una esfera de 1 m cúbico de hierro sin duda se irá al fondo del mar. Pero si con ese mismo metro cúbico de hierro construimos una esfera hueca, su volumen será mucho mayor que el de la esfera sólida, y con la ayuda del empuje del agua hacia arriba (Principio de Arquímedes), ésta flotará.

El principio de Arquímedes nos dice: “Todo cuerpo sumergido en un fluido experimentara un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado”. (2)

El empuje es la fuerza hacia arriba que sufren los cuerpos cuando son colocados en el agua (1). En ocasiones el empuje los hace flotar y en otros no lo consigue.

Un objeto que está hueco tiene poca densidad, porque en su mayoría está lleno de aire, el cual es casi mil veces más ligero que el agua. Con el barco ocurre lo mismo, aunque sea de hierro flota en el agua a causa del aire que tiene dentro.

En el caso de que se le haga un agujero en el casco, el agua entrará expulsando el aire hacia fuera, entonces la densidad de barco será mayor que la del agua y el barco se hundirá.

Cuando sumergimos un barco en el agua, éste desaloja una parte del volumen que antes ocupaba el fluido, empujándolo hacia fuera. Como consecuencia, el agua empuja al barco en todas las direcciones y perpendicular al casco, hacia dentro.

Es decir, existe una fuerza que empuja al barco de abajo hacia arriba haciéndolo flotar. Esto lo sabemos gracias al sabio Arquímedes quien hace dos mil años, señaló el principio de porqué los objetos flotan: «Cuando sumergimos un objeto en el agua éste flota por una fuerza igual al peso del líquido que desplaza.»

Para llegar a esta conclusión el sabio se metió en una tina con agua y se dio cuenta que entre más se sumergía, más agua caía de la tina y más liviano se sentía, porque al meter algo en el agua, ésta sube de nivel y si el objeto es grande se derrama. Lo anterior se origina en que la presión del agua va aumentando conforme aumenta la profundidad. De modo que es mayor la presión en el fondo del barco que en las parte superiores.

En resumen, podemos decir que los cuerpos que tienen densidad menor a la del agua tendrán una fuerza de empuje suficientemente grande para mantenerse a flote, si la densidad es mayor a la del agua entonces la fuerza de empuje no lograra sostenerlo y se irán al fondo.

Como ya explicamos la densidad es la cantidad de masa que posee un cuerpo por unidad de volumen.

d = m/v

Donde:

m = masa en (g)

v = volumen (ml)

d = densidad (g/ml)

Arquímedes hallo un método para determinar la densidad de los cuerpos, tomando como unidad el agua (3). Mismo que replicaremos en la fase experimental de este trabajo.

En el Anexo 3, se incluye información tomada de Wikipedia que no puedo entender, porque las matemáticas allí usadas son muy elevadas, pero es interesante mostrar que algo que parece muy sencillo como la flotación puede estudiarse tan profundamente.

Objetivo

Responder a mis preguntas de investigación, y aprender sobre el tipo de variables y relaciones que hacen posible la flotación, especialmente de los barcos.

Realizar pruebas de laboratorio para comprender mejor las variables del principio de Arquímedes y como se relacionan entre ellas para explicar la flotación de los objetos.

Justificación

Desde muy pequeño me causo mucho interés el tema del hundimiento del Titanic, entonces empecé a buscar información sobre ese hecho que ocurrió hace más de 100 años, busque documentales en video y libros para conocer más sobre la tragedia de su hundimiento donde murieron muchas personas. En la famosa película protagonizada por Kate Winslet y Leonardo DiCaprio me llama la a tención la respuesta que da el diseñador del barco cuando alguien le dice: “es el Titanic no puede hundirse”, y él contestó: “está hecho con miles de toneladas de acero, le aseguro que se hundirá”

Fotografía 2. Exposición temporal “El Titanic” Parque Guanajuato Bicentenario. Foto por G. Gómez, aparece el autor.

A partir de entonces me interesaron los barcos, me gustan los barcos de vela, los de vapor y todos los tipos de barco, me pregunte como es que no se hundían si eran tan grandes y pesados y de allí me surgió la idea de investigar cómo es que flotan los barcos.

Hipótesis

Si los barcos flotan porque son menos densos que el agua entonces eso hace que la fuerza de empuje vertical del agua los mantenga flotando.

Si los barcos se hunden porque les entra agua desplazando el aire y eso modifica su densidad, entonces cuando se hacen más densos que el agua la fuerza de empuje vertical del agua no es suficientemente grande para mantenerlos a flote.

Fotografía 3. Exposición temporal “El Titanic” Parque Guanajuato Bicentenario. Foto por G. Gómez, aparece el autor.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales y método

El método que utilizaré para validar la hipótesis está dividido en dos partes.

Primera parte documental:

– Revisión de un documental del hundimiento del Titanic que muestra la investigación del accidente, ya que era un barco muy grande muy resistente, pero aún así no resistió el choque con el iceberg.

– Vista a un museo donde se muestra la historia de la tragedia del Titanic con piezas originales e historias personales de las personas que viajaban en el barco cuando se hundió.

– Revisión en libros de física e internet acerca del principio de Arquímides que nos permite explicar el fenómeno de la flotación, y también el hundimiento de los barcos.

Segunda parte experimental:

La fase experimental de este proyecto me permitirá entender mejor las variables involucradas en la flotación, tales como: masa de los cuerpos, volumen, densidad y su relación con la fuerza de empuje en el principio de Arquímides

Materiales

– Agua

– Recipientes

– Vasos de precipitado graduados

– Probetas graduadas

– Balanza de laboratorio

– Materiales varios, tales como: piezas de metal, plástico, madera, corcho, unicel, etc. Con diferente tamaños y formas.

– Un huevo

-Sal de mesa

Metodología:

Experimento 1.

Determinación de densidad de los cuerpos.

La densidad de los cuerpos es la relación que existe entre su masa y su volumen, esto es:

Densidad = Masa / Volumen

1.- Usando la balanza de laboratorio mediremos la masa de los diferentes materiales en gramos y se registraran las mediciones en una tabla.

2.- Usando los recipientes con agua y la probeta graduada, sumergiremos uno por uno los materiales incluyendo el huevo y en forma directa cuando sea posible determinaremos el volumen de agua que desplazan en mililitro y lo registraremos en la tabla junto a la medición de masa que habíamos realizado previamente.

Cuando no sea posible determinar en forma directa el volumen de agua desplazado, porque el objeto no cabe en la probeta, es posible usar otro recipiente como un vaso de precipitado y colocar marcas antes de sumergir el objeto y posterior a sumergirlo, después sacar el objeto y adicionar agua con la probeta así sabremos el volumen de agua que cabe entre las marcas, dicho volumen será idéntico al del objeto. Mismo que se registrará junto a la medición de masa que realizamos previamente.

3.- En la tabla realizaremos la división de la masa en gramos entre el volumen en mililitro pata obtener la densidad, en gramos poro mililitro.

4.- Para fines prácticos consideraremos que la densidad del agua a temperatura ambiente es de 1 gramo/mililitro, 1 g/ml.

5.- Compararemos cada uno de los resultados de densidad de nuestra tabla con la del agua (1 g/ml). Los que tengan una densidad mayor a la del agua, se hundirán, si es menor a la del agua, flotarán.

6.- Finalmente colocaremos los objetos en un recipiente con agua y observamos si se hunden o flotan y lo comparamos con los resultados de la tabla.

Experimento 2.

1.- Colocaremos el huevo en un recipiente con agua y anotaremos nuestras observaciones, acerca de si flota o se hunde.

2.- Modificaremos la densidad del agua adicionando sal de mesa y agitando hasta que ya no se disuelva. Ello hará que la densidad del agua se incremente y ya no sea 1 g/ml. La podemos medir siguiendo el mismo procedimiento que usamos para obtener la densidad de los otros objetos.

3.- Ahora colocamos el huevo en el agua con sal y anotamos nuestras observaciones acerca de si el huevo flota o se hunde.

Experimento 3.

1.- Colocamos un objeto construido con un material más denso que el agua, algún plástico o metal que permita hacer las veces de una embarcación, podemos y anotamos las observaciones.

2.- Poco a poco llenamos el objeto mientras flota, con agua hasta llenarlo completamente y anotamos nuestras observaciones.

Galería Método

Resultados

Los resultados de la determinación de masa y volumen de los diferentes objetos se muestra en las siguiente tabla y gráfica. Para ver los datos con mayor de talle en el anexo 2, se presenta una ampliación de las mismas.

La flotación de los objetos en agua depende de la fuerza de empuje que el líquido ejerce hacia arriba cuando es desplazado al colocar dicho objeto.

La densidad, que es la cantidad de masa que tiene un cuerpo por unidad de volumen, es una variable muy importante para entender el fenómeno físico de la flotación. Ya que la fuerza de empuje permite que los cuerpos que son menos densos que el agua floten y los que son más densos se hundan.

Dado que hemos considerado la densidad del agua de 1g/ml par afines prácticos, es decir que en un mililitro o centímetro cúbico tiene una masa de un gramo, entonces es muy fácil ver que en la tabla todos los objetos que su masa es mayor a su volumen su densidad es mayor que la del agua (1 g/ml) y por lo tanto también podemos observar que se hunden.

Cuando la masa que determinamos con la balanza es menor al volumen, entonces la densidad es menor a 1g/ml y al colocarlos en el agua flotan.

Los resultados de la determinación de masa y volumen de los diferentes objetos se muestra en las siguiente tabla y gráfica. Para ver los datos con mayor de talle en el anexo 2, se presenta una ampliación de las mismas.

Galería Resultados

Discusión

La flotación de los objetos en agua depende de la fuerza de empuje que el líquido ejerce hacia arriba cuando es desplazado al colocar dicho objeto.

La densidad, que es la cantidad de masa que tiene un cuerpo por unidad de volumen, es una variable muy importante para entender el fenómeno físico de la flotación. Ya que la fuerza de empuje permite que los cuerpos que son menos densos que el agua floten y los que son más densos se hundan.

Dado que hemos considerado la densidad del agua de 1g/ml par afines prácticos, es decir que en un mililitro o centímetro cúbico tiene una masa de un gramo, entonces es muy fácil ver que en la tabla todos los objetos que su masa es mayor a su volumen su densidad es mayor que la del agua (1 g/ml) y por lo tanto también podemos observar que se hunden.

Cuando la masa que determinamos con la balanza es menor al volumen, entonces la densidad es menor a 1g/ml y al colocarlos en el agua flotan.

Cuando realizamos el experimento de flotación con el huevo observamos algo muy interesante. De acuerdo con las mediciones, la masa del huevo que utilizamos es de: 57.4 g y su volumen: 54 ml por lo que su densidad es mayor a la del agua: 1.06 g/ml y al colocarlo en agua observamos cómo se hunde. Sin embargo al colocarlo en una solución de agua con sal, flota. Para corroborar esta observación determinamos la densidad del agua con sal, medimos la masa: 106.9 g, con un volumen de : 100ml por lo tanto la densidad es ligeramente mayor que la del huevo: 1.07 g/ml lo cual explica que bajo esas condiciones el huevo flote.

En algunos casos específicos como la tapa de frasco que es metálica, tiene una densidad mayor a 1g/ml y al colocarla en el agua se hunde, sin embargo si se coloca vista hacia arriba cuidando que no se llene de agua, flota. Este mismo efecto ocurre en los barcos, el aire contenido en la parte superior forma parte de su volumen y al ser mayor el volumen que la masa, la densidad promedio es menor a 1g/ml con lo cual flota. Recordemos que al aire es casi mil veces más ligero que el agua, por lo tanto contribuye con mucho a disminuir la densidad promedio en este tipo de sistemas (como los barcos). Si la tapa se llena de agua, se hunde, igual que los barcos.

Conclusiones

Los grandes barcos están construidos con miles de toneladas de acero, pero flotan por el principio de Arquímedes que nos dice: “cualquier cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido es empujado hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del fluido que desaloja” (3) Hay que entender que el acero por sí mismo es mucho más denso que el agua, por lo que se hunde. Sin embargo el volumen del barco incluye todo el espacio abierto que está lleno de aire, su densidad promedio es considerablemente más baja que la del agua y eso hace que desaloje mucha agua a su alrededor generando una gran fuerza de empuje que los mantiene a flote. No obstante si por alguna causa, como ocurrió con el Titanic, si sufren algún daño que permita el ingreso de agua que desplace al aire, los barcos se hunden.

Para entender el fenómeno físico de la flotación, es importante conocer las variables que estudiamos en este proyecto, tales como la masa, el volumen y la densidad de los cuerpos y los fluidos involucrados.

Bibliografía

1. Asmat R., Juan, Romero C., Violeta. “Experimentos de Física para Niños” 3ª Ed. 1995. Lima, Perú.
2. Alaniz-Alvarez, Susana A., Nieto-Samaniego, Angel F. Ilustración Morán Luis D., Diseño López, Elisa. “Experimentos simples para entender una tierra complicada” Vol. 1 La presión atmosférica y la caída de los cuerpos. UNAM 2007. Querétaro, México
3. d’Egremy, N. El principio de Arquímedes, También Tú di ¡eureka!, El genio de la tina. Revista De Veras 1. COMECYT, México
4. Alaniz-Alvarez, Susana A., Nieto-Samaniego, Angel F. Ilustración Morán Luis D., Diseño López, Elisa. “Experimentos simples para entender una tierra complicada” Vol. 3 ¡Eureka! Los continentes y los océanos flotan. UNAM 2008. Querétaro, México
5. Resnik, Robert; Halliday, David. Física Parte 1. Ed. Continental. México 1987
6. https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Arqu%C3%ADmedes
7. Wetterholm, Claes-Göran. “Titanic, la exposición, catálogo oficial”. Titanic Cebtenary 2012, Ltd.
8. Smithson, D. & Dunblop, A. (2006).”Titanic, segundos catastróficos”. [DVD]. National Geographic Channel

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography