Flotabilidad
En la vida cotidiana, podemos observar diversos ejemplos de cuerpos que flotan en fluidos: un iceberg en el mar, una tabla de paddle surf en el agua, o un globo aerostático en el aire. Recuerda que los fluidos no siempre son líquidos, sino que pueden ser también gases.
En todas las anteriores situaciones, el cuerpo permanece en un equilibrio de flotación dentro del fluido, es decir, en una posición o altura determinada que no se ve alterada con el tiempo. Este equilibrio se produce cuando las fuerzas que actúan sobre el cuerpo en todas las direcciones se compensan perfectamente.
Como hemos visto en la sección de "Presión hidrostática", un fluido ejerce siempre fuerzas perpendiculares sobre cualquier cuerpo sumergido en él, en todas sus caras. Para los anteriores ejemplos, las fuerzas con dirección hacia la derecha anulan o contrarrestan las que actúan hacia la izquierda (eje X), y por eso los cuerpos que flotan no se mueven ni hacia la derecha ni hacia la izquierda. En la dirección vertical, tenemos dos fuerzas principales actuando: el peso del cuerpo y el empuje que ejerce el fluido. El peso es una fuerza (vector) que siempre tiene sentido hacia abajo debido a la gravedad, mientras que la fuerza de empuje es una fuerza (vector) que actúa en sentido opuesto, hacia arriba. En una situación de flotación estas dos fuerzas tienen el mismo módulo, lo que permite que el cuerpo se mantenga a una altura constante en el fluido, sin hundirse ni ascender.
Observa que si el cuerpo tiene más peso, se hunde más en el fluido, y aumenta también más el módulo del empuje que experimenta (contrarrestando al peso).
En situaciones donde estos dos vectores fuerza no estén equilibrados, el cuerpo tiende a moverse: si el peso es mayor que el empuje, el objeto se hundirá; si el empuje supera al peso, el objeto ascenderá.
A continuación, vamos a analizar más en detalle qué es el empuje y por qué se produce esta fuerza.
La aerostática es la rama de la física que estudia el comportamiento de los gases en reposo y las fuerzas que estos ejercen sobre cuerpos sumergidos en ellos. La hidrostática, en cambio, se ocupa del estudio de los líquidos en reposo y de las fuerzas que realizan sobre los cuerpos sumergidos.
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Fuerza de empuje
Cuando un cuerpo se encuentra sumergido, el fluido que lo rodea ejerce una presión mayor sobre su parte inferior (hundida a más profundidad) que sobre su parte superior. En consecuencia, habrá una fuerza de mayor módulo dirigida hacia arriba aplicada en la superficie inferior del cuerpo, y una fuerza de menor módulo dirigida hacia abajo aplicada en la superficie superior. La fuerza resultante entre estas dos es una fuerza denominada empuje y de sentido ascendente.
Matemáticamente, la fuerza de empuje se puede calcular de la siguiente forma:
E = F2 – F1
Recuerda que cada fuerza se puede calcular como el producto de la presión por la superficie, por lo que: F = p · S = dfluido · g · h · S
E = F2 – F1 = dfluido · g · h2 · S – dfluido · g · h1 · S = dfluido · g · h · S
Observa que el producto de la altura (h) por la superficie (S) es igual al volumen del cuerpo sumergido:
E = dfluido · g · Vcuerpo = dfluido · g · Vfluido desalojado
Dado que la densidad de un líquido se calcula como el cociente entre su masa y su volumen, sustituyendo esto en la anterior expresión, obtenemos:
E = mfluido · g
E = Pesofluido desalojado
Esta última expresión matemática se conoce como el principio de Arquímedes:
Cuando el cuerpo se encuentra completamente sumergido, el volumen de fluido desalojado coincide con el volumen del cuerpo. En cambio, cuando solo se encuentra parcialmente sumergido, el volumen de fluido desalojado coincide únicamente con el volumen sumergido del cuerpo.
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Peso aparente
Esta fuerza de empuje hacia arriba provoca que el peso aparente de un cuerpo en un fluido sea menor que el peso real de ese cuerpo cuando se encuentra fuera del fluido. Es decir, el valor del peso aparente de un cuerpo se calcula restando al valor de su peso real el empuje que experimenta. Esto explica que, cuando buceamos bajo el agua o cuando flotamos en su superficie, nos sintamos mucho más livianos.
Pesoaparente = Pesoreal – E
Para visualizar mejor la interacción entre el peso y el empuje, y comprender cómo la flotación se ve afectada por magnitudes como la densidad, la masa o el volumen del cuerpo, puedes utilizar el siguiente simulador interactivo:
Simulación de PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder
Bajo licencia CC- BY-4.0 (https://phet.colorado.edu).
En la sección "Experimenta" encontrarás este y otros recursos interactivos.
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Una persona tiene una masa de 65 kg y se sitúa sobre una tabla de surf de masa 15 kg en el mar. 
