Flotadores y hundidores

Objetivos

• Demostrar cómo la distribución de las moléculas en una sustancia determina su densidad.

• Investigar las densidades relativas de los líquidos y las densidades relativas de los sólidos.

• Predecir, probar y explicar la densidad relativa investigando las interacciones de los líquidos y los sólidos.

• Demostrar la comprensión de la relación entre la densidad y la flotabilidad construyendo un barco.

Materiales

• Ver actividades individuales para materiales.

Contexto

Densidad, masa & Volumen
En pocas palabras, la densidad es lo apretado que están las «cosas» en un espacio definido.

Por ejemplo, una maleta repleta de ropa y recuerdos tiene una densidad alta, mientras que la misma maleta que contiene dos pares de ropa interior tiene una densidad baja. Desde el punto de vista del tamaño, ambas maletas parecen iguales, pero su densidad depende de la relación entre su masa y su volumen.
La masa es la cantidad de materia de un objeto.
El volumen es la cantidad de espacio que ocupa un objeto en tres dimensiones.

La densidad se calcula mediante la siguiente ecuación: Densidad = masa/volumen o D = m/v.

Comparemos tres sustancias conocidas para explorar el concepto de densidad. Si tomamos el mismo volumen (un centímetro cúbico) de espuma, madera y hormigón, podemos ver que cada uno tiene una masa diferente.

Menos denso, más denso
Si algo es pesado para su tamaño, tiene una densidad alta. Si un objeto es ligero para su tamaño, tiene una densidad baja.

Un guijarro es pesado para su tamaño, comparado con un trozo de palomitas que es ligero para su tamaño. Imagina un gran bol de palomitas, comparado con un gran bol de guijarros, ¿qué se sentiría más pesado?

Es fácil estimar las densidades relativas si mantienes el volumen o la masa de dos objetos igual.

Si llenaras una bolsa con un kg de plumas y otra con un kg de plomo verías que las plumas ocupan mucho más espacio, aunque ambas bolsas tengan la misma masa. Esto se debe a que las plumas son menos densas, tienen menos masa por volumen. Si hicieras un cubo de cobre y otro de aluminio del mismo volumen y colocaras uno en cada mano, podrías sentir que el cubo de cobre sería más pesado. El cobre tiene más masa por volumen que el aluminio.

¿Cómo puede una sustancia tener más masa por volumen que otra? Hay algunas posibilidades:

1. Los átomos de una sustancia pueden tener un tamaño similar y, sin embargo, tener más masa que los átomos de otra sustancia.
2. Los átomos de una sustancia pueden tener una masa similar pero ser más pequeños, por lo que caben más en el mismo volumen.
3. Los átomos de una sustancia podrían estar dispuestos de una manera que permita que más de ellos quepan en el mismo volumen.

Cualquiera de estas explicaciones, o una combinación de ellas, podría ser la razón por la que una sustancia tiene una mayor densidad que otra. En el caso del cobre y el aluminio, sus átomos están dispuestos de forma similar, pero los átomos de cobre son más pequeños y tienen más masa que los de aluminio, lo que le confiere una mayor densidad.


Densidad, hundimiento y flotación
¿Por qué algunas cosas flotan, mientras que otras se hunden? Es de esperar que los objetos más pesados se hundan y los más ligeros floten, pero a veces ocurre lo contrario. Las densidades relativas de un objeto y del líquido en el que se coloca determinan si ese objeto se hundirá o flotará. Un objeto que tiene una densidad mayor que el líquido en el que se encuentra se hundirá. Un objeto que tiene una densidad menor que el líquido en el que se encuentra flotará.

Puedes ver realmente las densidades relativas en funcionamiento cuando observas que un objeto pesado flota y uno más ligero se hunde. Por ejemplo, imagina que pones un pequeño trozo de arcilla y una gran y pesada vela de cera en una bañera con agua. Aunque es más ligero, el trozo de arcilla tiene mayor densidad que el agua y, por tanto, se hunde. Aunque es más pesada, la cera tiene una densidad menor que el agua, por lo que la vela grande flota.


El hundimiento y la flotación también se aplican a los líquidos. Por ejemplo, si añades aceite vegetal al agua, el aceite flota sobre el agua porque el aceite tiene una densidad menor que el agua.

La flotabilidad y el principio de Arquímedes
El antiguo filósofo griego Arquímedes descubrió que cuando un objeto se sumerge en el agua, empuja hacia un lado (o desplaza) una cantidad de agua con la misma masa que el objeto.

El agua empuja hacia arriba contra el objeto con una fuerza (flotabilidad) igual al peso del agua que se desplaza.

Exploremos el principio de Arquímedes dejando caer una bola de bolos en una bañera con agua. Cuando la bola se sumerge en el agua, desplaza su volumen en agua. Según el principio de Arquímedes, el agua puede «empujar hacia atrás» con una fuerza igual al peso del agua que se ha desplazado.


Un litro de agua tiene una densidad de 1 kilogramo por litro (1 kg/L), por lo que el agua de una bola de bolos (4,5 L) puede empujar hacia atrás a la bola de bolos con una fuerza igual a 45 newtons (N). Eso es el peso de una masa de 4,5 kg. Sin embargo, el peso de la bola es más bien de 55 N. Eso es más que la fuerza de flotación del agua que desplazó, por lo que se hunde.

Una pelota de playa puede tener el mismo volumen que una bola de bolos, pero tiene una masa mucho menor. Cuando se introduce una pelota de playa en una bañera con agua, ésta desplaza una masa de agua igual a su propia masa, aproximadamente 0,01 kg. Si trataras de empujar la pelota de playa hacia abajo y desplazar más agua, el agua empujaría hacia atrás con una fuerza mayor que el peso de la pelota de playa. El empuje del agua mantiene la pelota de playa a flote.

La flotabilidad es la fuerza ascendente que necesitamos del agua para mantenernos a flote. Las fuerzas de flotación son la razón por la que nos sentimos mucho más ligeros cuando estamos en una piscina. Nuestros cuerpos son en su mayoría agua, por lo que nuestra densidad es bastante parecida a la del agua. Por ello, una persona media sólo necesita un poco de flotabilidad adicional para flotar. Un chaleco salvavidas proporciona esta elevación extra.

Cambiando la densidad
Se puede cambiar la densidad de una sustancia calentándola, enfriándola o añadiéndole algo. Si un objeto se hunde en el agua, es porque el objeto tiene una densidad mayor que el agua. Sin embargo, hay dos formas posibles de hacer que ese objeto flote:

1. Aumentar la densidad del agua para que ésta sea más densa que el objeto. Por ejemplo, un huevo suele hundirse en un vaso de agua, porque es más denso que el agua. Añadir sal al agua aumenta la densidad del agua, permitiendo que el huevo flote. Este experimento también funciona con personas, pero se necesita mucha sal (¡prueba con el océano, o incluso mejor, con el Mar Muerto!)
   
2. Aumenta el volumen del objeto para que éste sea menos denso que el agua. Un gran ejemplo de esto es el hielo que flota en el agua. El hielo se forma al congelar el agua. Cuando se congela, aumenta su volumen a medida que las moléculas de agua se alejan para dar cabida a la estructura reticular del hielo. Como el hielo es ahora menos denso que el agua, flota. Este fenómeno también explica por qué los barcos flotan aunque estén hechos de acero. Un barco se construye de tal manera que encierra grandes cantidades de espacio abierto. El barco sigue desplazando su peso en el agua, pero debido a la forma en que está construido, ocupa más espacio que el volumen del agua que desplaza, por lo que flota.
   

Vocabulario

Arquímedes: Matemático, físico, ingeniero, inventor y astrónomo griego (c. 287 a.C.-c. 212 a.C.).
Principio de Arquímedes: Cualquier objeto sumergido total o parcialmente en un fluido es impulsado por una fuerza igual al peso del fluido que es desplazado por el objeto. En otras palabras, la flotabilidad es igual al peso del fluido desplazado.
La flotabilidad: La fuerza ascendente que un fluido ejerce sobre un objeto menos denso que él; la capacidad de flotar.
Densidad: El grado de concentración de las moléculas de un objeto o sustancia.
Desplazar: Apartar del camino. Por ejemplo, cuando un objeto entra en el agua, la desplaza.
inmiscible: Que no se puede mezclar, como el aceite y el agua.
Madera de hierro: Nombre de un gran número de maderas que tienen fama de ser duras y de alta densidad.
masa: La cantidad de materia en un espacio determinado.
materia: La sustancia que compone todas las cosas físicas.
Piedra pómez: Espuma de lava conocida por su pequeña masa y su baja densidad, a pesar de parecer una roca.
peso: Medida de la fuerza de gravedad sobre un objeto.
Volumen: La cantidad de espacio que ocupa una sustancia u objeto.