Ver un gran buque entrando en puerto plantea una pregunta aparentemente sencilla. Si una pequeña pieza de acero que dejamos caer al agua se hunde inmediatamente, ¿cómo puede mantenerse a flote un barco construido con miles de toneladas de ese mismo material?
La respuesta no está en que el acero utilizado para construir barcos sea especial ni en que exista algún mecanismo que los mantenga permanentemente empujando hacia arriba. La explicación se encuentra en uno de los principios físicos más conocidos de la navegación: el principio de Arquímedes.
Detrás de una idea que puede explicarse en pocas líneas se encuentra, en realidad, buena parte de la ciencia que permite diseñar un barco, calcular cuánto puede cargar, determinar su calado y entender qué ocurre cuando entra agua a bordo.
Todo empieza con Arquímedes
El principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido que desplaza.
Aplicado a un barco significa que, al introducirse el casco en el agua, este desplaza una determinada cantidad de agua. Cuanto más se sumerge, mayor es el volumen desplazado y, por tanto, mayor es el empuje que recibe.
El barco encuentra su posición de equilibrio cuando el peso del agua desplazada es igual al peso total de la embarcación.
Esta última frase es especialmente importante porque explica buena parte de lo que vemos todos los días en un puerto.
Un barco ligero necesita desplazar poca agua y, por tanto, se sumerge relativamente poco. Si empezamos a cargarlo con combustible, agua, provisiones, personas o mercancía, su peso aumenta. Para volver a alcanzar el equilibrio necesita desplazar más agua, así que el casco se introduce un poco más y aumenta su calado.
No hay ningún misterio. A mayor peso, mayor desplazamiento necesario.
Entonces, ¿por qué se hunde una pieza de acero?
Una pieza maciza de acero tiene una densidad mucho mayor que la del agua. Su pequeño volumen no consigue desplazar una cantidad de agua cuyo peso iguale al suyo antes de quedar completamente sumergida, por lo que continúa descendiendo.
Un barco es muy diferente.
Aunque esté construido principalmente con acero, no es un bloque macizo. El casco encierra un volumen enorme formado por espacios, bodegas, tanques, cámaras de máquinas, alojamientos y multitud de compartimentos.
Gracias a la forma y al volumen del casco, el barco puede desplazar una gran cantidad de agua sin necesidad de sumergirse por completo.
Podemos comprobar el mismo principio en casa con algo mucho más sencillo. Una bola compacta de plastilina se hunde. Si utilizamos exactamente la misma cantidad de plastilina y le damos forma de pequeño recipiente, aumentando considerablemente el volumen que ocupa, podremos conseguir que flote.
El material y su peso no han cambiado. Lo que hemos modificado es la cantidad de agua que puede desplazar antes de hundirse.
Eso, llevado a otra escala y con bastante más ingeniería detrás, es precisamente lo que ocurre con un barco.
Desplazamiento: una palabra fundamental en náutica
En navegación utilizamos constantemente la palabra desplazamiento, y ahora resulta mucho más fácil entender de dónde procede.
El desplazamiento de una embarcación corresponde al peso del agua que desplaza cuando está flotando y, por el principio de Arquímedes, ese peso coincide con el peso del propio barco en esa condición de carga.
Por eso podemos hablar de diferentes desplazamientos según el estado en el que se encuentre el buque.
Un barco recién salido del astillero, prácticamente vacío, no pesa lo mismo que cuando lleva combustible, agua, provisiones, tripulación y carga. Al aumentar su peso aumentará también el volumen de casco sumergido.
Es algo que puede apreciarse perfectamente observando un mercante cargado y comparándolo con el mismo buque cuando navega en lastre.
El calado nos cuenta cuánto se ha hundido el barco
El calado es la distancia vertical comprendida entre la línea de flotación y la parte inferior del casco o de la quilla, según la referencia utilizada.
Cuando aumenta el peso del barco, aumenta el volumen de agua que debe desplazar y normalmente aumenta también su calado.
Esta relación tiene consecuencias muy prácticas. El patrón o capitán necesita conocer el calado para saber, entre otras cosas, si puede entrar en determinado puerto, navegar por una zona de poca profundidad o pasar con seguridad sobre un bajo.
En los grandes buques comerciales este control adquiere todavía mayor importancia. Cargar unas toneladas más no consiste simplemente en comprobar si todavía queda espacio en la bodega. Hay que considerar calados, estabilidad, esfuerzos estructurales, francobordo y límites de carga.
La flotabilidad, por tanto, no es una curiosidad de física. Está presente constantemente en la operación de cualquier buque.
¿Por qué no podemos seguir cargando indefinidamente?
Si cada vez que añadimos peso el barco simplemente se hunde un poco más hasta desplazar suficiente agua, podríamos pensar que bastaría con continuar cargándolo mientras quede espacio disponible.
Naturalmente, no funciona así.
Existe un límite a partir del cual el buque ya no dispone del margen de seguridad necesario. Cuanto más se sumerge, menor es la distancia entre la superficie del agua y las zonas superiores del casco por las que podría producirse una inundación.
Aquí aparece otro concepto fundamental: el francobordo.
De forma sencilla, podemos entenderlo como la distancia vertical entre la línea de flotación y la cubierta de francobordo. Mantener suficiente francobordo proporciona una importante reserva frente al embarque de agua y forma parte de las condiciones de seguridad del buque.
Por eso en los grandes barcos podemos observar las conocidas marcas de francobordo o marcas de Plimsoll pintadas en el costado. No son decoración. Indican límites relacionados con la carga y las condiciones en las que puede navegar el buque.
¿Flota igual un barco en agua dulce que en agua salada?
No exactamente, y esta es una de esas preguntas que sirven para comprobar que realmente hemos entendido el principio de Arquímedes.
El agua de mar es más densa que el agua dulce. Por tanto, para obtener el mismo empuje necesitamos desplazar un volumen algo menor de agua salada.
Esto significa que un barco flota ligeramente más alto en agua de mar que en agua dulce, manteniendo exactamente el mismo peso.
Cuando pasa de mar abierto a un río o a determinadas zonas portuarias con agua de menor densidad, el barco necesita desplazar un volumen mayor para sostener su peso y, como consecuencia, aumenta ligeramente su calado.
En navegación profesional estas diferencias se tienen muy en cuenta. Para una pequeña embarcación de recreo probablemente no sean algo que vayamos calculando cada vez que salimos del puerto, pero permiten entender perfectamente cómo funciona la flotabilidad.
¿Y qué es la reserva de flotabilidad?
Hasta ahora hemos explicado la parte del casco que está sumergida, pero también es muy importante la que permanece fuera del agua.
La reserva de flotabilidad está relacionada con el volumen estanco del buque situado por encima de la línea de flotación que todavía puede contribuir a generar empuje si el barco se sumerge más.
Es, en cierto modo, uno de los márgenes que tiene el barco antes de llegar a una situación crítica.
Por eso mantener la integridad estanca del casco es fundamental. Portillos, escotillas, puertas, ventilaciones y demás aberturas no son elementos que puedan gestionarse sin prestar atención a las condiciones de navegación.
Un barco puede tener una enorme capacidad de flotación en condiciones normales y perderla progresivamente cuando una inundación ocupa espacios que deberían permanecer estancos.
Entonces, ¿por qué se hunde un barco?
Llegamos a la situación contraria.
Si un barco está diseñado precisamente para flotar, ¿qué tiene que suceder para que termine hundiéndose?
Una de las causas más evidentes es la pérdida de flotabilidad provocada por una inundación.
Cuando el agua empieza a entrar en espacios interiores, la situación del buque cambia. Aumenta su peso y se reduce el volumen estanco disponible. Como consecuencia, el barco necesita hundirse más para desplazar suficiente agua.
Si la inundación continúa, el calado sigue aumentando y pueden llegar a quedar sumergidas nuevas aberturas, facilitando la entrada de todavía más agua.
Sin embargo, no todos los accidentes terminan simplemente con un barco descendiendo verticalmente hasta desaparecer. La entrada de agua puede provocar además escoras importantes, alterar la estabilidad, producir superficies libres en los compartimentos inundados o modificar de forma muy considerable la posición del centro de gravedad.
Por eso flotabilidad y estabilidad están estrechamente relacionadas, pero no son exactamente lo mismo.
Flotar no significa necesariamente ser estable
Este es un matiz muy importante.
Un objeto puede tener flotabilidad suficiente para permanecer sobre el agua y, sin embargo, encontrarse en una situación de estabilidad muy mala.
La estabilidad estudia la capacidad que tiene una embarcación para recuperar una posición de equilibrio después de sufrir una inclinación producida, por ejemplo, por el viento, una ola, un desplazamiento de pesos o una maniobra.
La forma del casco, la distribución de los pesos, la posición del centro de gravedad y la geometría de la obra viva influyen enormemente en su comportamiento.
Por eso colocar un peso en cualquier lugar del barco no produce siempre el mismo efecto. Subir peso a una zona elevada puede ser mucho más perjudicial para la estabilidad que situarlo en una posición baja.
En los barcos pequeños también podemos comprobarlo fácilmente cuando varias personas se desplazan simultáneamente hacia una misma banda. El barco continúa flotando, pero su escora cambia inmediatamente.
Los compartimentos estancos tienen una razón
Los buques modernos están subdivididos mediante mamparos que permiten separar diferentes espacios interiores. Una de las funciones de esta compartimentación es limitar las consecuencias de una posible entrada de agua.
Si se produce una vía de agua y conseguimos que la inundación quede confinada en un compartimento, el buque puede conservar suficiente flotabilidad y estabilidad para mantenerse a flote.
Si, por el contrario, el agua puede extenderse libremente por amplias zonas del barco, las consecuencias pueden ser mucho más graves.
Esta es también la razón por la que determinadas puertas y cierres estancos tienen una importancia enorme a bordo y por la que los procedimientos relacionados con ellos no deben considerarse una simple formalidad.
La seguridad marítima suele estar llena de elementos que aparentemente hacen muy poco durante años, hasta el día en que resultan imprescindibles.
Una pregunta sencilla que explica buena parte de la navegación
“¿Por qué flotan los barcos?” parece inicialmente una pregunta infantil. Sin embargo, cuando empezamos a responderla aparecen conceptos como desplazamiento, calado, densidad, francobordo, reserva de flotabilidad, estanqueidad y estabilidad.
Y todos ellos forman parte de la navegación.
Entender por qué flota nuestra embarcación también ayuda a comprender por qué no debemos sobrecargarla, por qué importa dónde colocamos los pesos, qué consecuencias puede tener una vía de agua o por qué debemos prestar atención a determinadas aberturas cuando empeoran las condiciones de mar.
Esta es precisamente una de las cosas que más nos gustan de la formación náutica. Muchos conceptos que inicialmente parecen teoría adquieren muchísimo sentido cuando los relacionamos con un barco real.
En Arriluze queremos que entiendas el barco, no que memorices respuestas
Cuando preparamos una titulación náutica es inevitable estudiar conceptos, normativa, seguridad, navegación o maniobras. Sin embargo, aprender a navegar no debería consistir únicamente en memorizar la respuesta correcta para el día del examen.
En Arriluze Náutica intentamos que el alumno entienda qué está ocurriendo y pueda relacionar aquello que estudia con lo que posteriormente encontrará cuando salga a la mar.
Porque saber que un barco flota por el principio de Arquímedes está bien.
Entender qué ocurre cuando lo cargamos, por qué cambia su calado, cómo afecta una inundación y por qué todo ello importa cuando estamos al mando es mucho más útil.
Al final, obtener una titulación es solo una parte del camino. Lo realmente interesante comienza cuando eres tú quien tiene que tomar las decisiones a bordo.
