How Submarines Sink and Float

Zahra observó un enorme buque portacontenedores deslizarse por la Bahía de San Francisco. El fenómeno de la flotabilidad está en juego, manteniendo a este gigante a flote. ¿Pero cómo? Parece imposible que algo tan pesado pueda flotar en el agua. De hecho, ¡algunos buques portacontenedores son más largos que la altura del Empire State Building! Dato: La flotabilidad de un buque portacontenedores depende de la forma de su casco y del volumen de agua que desplaza. ¡Este principio permite que barcos más largos que el Empire State Building floten a pesar de pesar cientos de miles de toneladas!

De vuelta en casa, en Noe Valley, Zahra se estaba bañando con su submarino de juguete cuando este se hundió hasta el fondo. Se preguntó por qué los barcos enormes flotaban, pero su pequeño juguete no. Le preguntó a su papá, que estaba leyendo un libro en el sofá: "Papá, ¿por qué los barcos grandes flotan, pero mi submarino se hunde?", preguntó, perpleja. "¡Esa es una gran pregunta, Zahra!", respondió su papá. "Todo se reduce a algo llamado flotabilidad. Tendremos que investigar". Dato curioso: La luz tarda ocho minutos y veinte segundos en viajar del Sol a la Tierra. ¡Quizás por eso parece que el agua del baño tarda una eternidad en enfriarse!

El papá de Zahra sacó un cuaderno y dijo: "Veamos lo que Arquímedes descubrió hace mucho tiempo". Abrió el libro en una página sobre Arquímedes y dijo: "'¡Eureka!', como Arquímedes gritó famosamente cuando descubrió el principio de flotabilidad. Cambió para siempre nuestra comprensión de los objetos flotantes, como los barcos". "Arquímedes fue un matemático, físico, ingeniero, inventor y astrónomo griego", explicó el papá de Zahra. "Vivió hace más de dos mil años. Su principio explica cómo los objetos flotan o se hunden". Dato: El principio de Arquímedes, formulado en la antigua Grecia, sigue siendo fundamental para la arquitectura naval hoy en día.

El papá de Zahra comenzó a explicar: "Imagina un submarino sobre una báscula, pero bajo el agua. Ahora imagina un volumen igual de agua también sobre esa báscula, pero no bajo el agua. ¡El peso de ese volumen de agua es la fuerza de flotación que empuja el submarino hacia arriba!". Le mostró un diagrama en su cuaderno. "La clave es el desplazamiento", dijo. "Un objeto flota si la fuerza de flotación —el peso del agua que desplaza— es mayor que su propio peso. ¡Y eso significa que la densidad total es menor que la del agua!". Zahra empezó a entender. Dato: La densidad es la masa por unidad de volumen. Si un objeto es menos denso que el agua, flota; de lo contrario, se hunde. Los barcos están diseñados para maximizar su volumen en relación con su masa.

Su papá le mostró a Zahra cómo un submarino podía cambiar su flotabilidad. "Los submarinos tienen tanques de lastre", explicó. "Al llenarlos de aire, el submarino desplaza menos agua, lo que lo hace más ligero y capaz de ascender. Al llenarlos de agua, desplaza más, hundiendo el submarino". Dibujó un diagrama de un submarino con tanques de lastre llenándose de agua y aire. "¿Ves cómo cambian las flechas que representan la fuerza de flotación?", preguntó. Dato: Los submarinos controlan su profundidad ajustando la cantidad de agua y aire en sus tanques de lastre, cambiando efectivamente su densidad general.

Para demostrarlo, el padre de Zahra la llevó a la Escuela Secundaria Everett, donde el señor Harris, el profesor de ciencias, les mostró un modelo de submarino. Bombeó aire en los tanques de lastre y el modelo subió a la superficie de un tanque. Luego, dejó entrar agua y el submarino se hundió. "Así es como los submarinos exploran las profundidades del océano", explicó el señor Harris. "¡Cambian su densidad para sumergirse y salir a la superficie!" Dato: Los tanques de lastre fueron esenciales para la invención del primer submarino verdadero por Cornelius Drebbel en el siglo diecisiete, aunque su diseño era bastante diferente de los submarinos modernos.

Zahra imaginó un submarino de verdad, una nave de investigación de aguas profundas, explorando la Fosa de las Marianas, la parte más profunda del océano. Vio el submarino navegando silenciosamente a través de las oscuras aguas, sus luces iluminando criaturas extrañas y maravillosas. Ella pensó: "¡Sin entender la flotabilidad y la densidad, no podríamos explorar estos lugares asombrosos!" Dato: La Fosa de las Marianas es tan profunda que el Monte Everest podría sumergirse en ella y aún así quedar más de una milla de agua por encima de su cima.

De vuelta en casa, Zahra observó otros ejemplos de flotabilidad. Vio un globo aerostático elevándose hacia el cielo, un barco flotando en la bahía e incluso a ella misma flotando en la piscina. "¡La flotabilidad está en todas partes!", exclamó a su mamá mientras veía pasar el globo aerostático. Dato: Los globos aerostáticos flotan porque el aire caliente es menos denso que el aire frío. Esta diferencia de densidad crea una fuerza de flotación que eleva el globo.

Su padre, un hombre tranquilo, pensativo y amable de unos cuarenta años, con gafas, una barba corta y cuidada, pelo corto y oscuro con ligeras canas en las sienes, vestido con un cómodo suéter, pantalones casuales y mocasines, le mostró una foto de un iceberg. "Incluso algo tan masivo como un iceberg flota porque el hielo es menos denso que el agua", le explicó. "Pero solo alrededor del diez por ciento de un iceberg es visible sobre la superficie". Zahra se asombró. "Entonces, ¿la mayor parte del iceberg está escondida bajo el agua?". Dato: Los icebergs flotan porque el hielo es menos denso que el agua líquida, una propiedad única debido a los enlaces de hidrógeno. Esto permite que la vida marina prospere incluso en condiciones de congelación.

Zahra sonrió, comprendiendo ahora por qué su submarino de juguete se hundía mientras los barcos enormes flotaban. Al entender los principios de la flotabilidad, podemos diseñar máquinas increíbles, explorar las profundidades del océano e incluso comprender por qué flotan los icebergs. "Se dio cuenta: "¡La ciencia nos ayuda a entender el mundo que nos rodea, desde el juguete más pequeño hasta el barco más grande!" Dato: Comprender la flotabilidad nos permite diseñar barcos, submarinos, globos aerostáticos e incluso predecir el comportamiento de los icebergs, ayudándonos a navegar y explorar nuestro mundo de forma más segura y eficiente.