Libro de Saberes y Pensamiento Cientifico 2 EGB

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Aplicaciones del principio de Arquímedes: barcos, submarinos y globos

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Barcos: densidad promedio menor que el agua. Submarinos: regulan peso con lastre de agua. Globos: aire caliente menos denso, $P < E$ .

📚 theory fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 120

Colección Sk´asolil. Saberes y pensamiento científico. Libro de Educación Secundaria Grado 2° Ciclo Escolar 2025 - 2026

Ejercicio 1

Explica por qué un barco de acero, más denso que el agua, puede flotar.

El principio de Arquímedes establece que todo cuerpo sumergido recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido desalojado: $E = \rho_{f} \cdot g \cdot V_{d}$ .
Un barco no es macizo: su casco hueco encierra gran cantidad de aire, por lo que su densidad promedio es menor que la del agua.
Al flotar, el peso del barco se equilibra con el empuje: $P = E$ , y solo se sumerge el volumen de casco necesario para desalojar un peso de agua igual al peso total.

Respuesta

Flota porque su densidad promedio (acero + aire interior) es menor que la del agua y el empuje iguala a su peso.

Ejercicio 2

Describe cómo un submarino logra hundirse y volver a flote.

En superficie, sus compartimentos contienen aire, por lo que su densidad es menor que la del agua y $E > P$ .
Para sumergirse abre compuertas: entra agua, comprime el aire y aumenta su peso; cuando $P > E$ el submarino se hunde.
Para emerger expulsa el agua con aire comprimido: disminuye su peso, $E > P$ y asciende hasta flotar.

Respuesta

Regula su peso llenando o vaciando tanques de lastre con agua, cambiando así la relación entre $P$ y $E$ .

Ejercicio 3

¿Por qué un globo aerostático asciende si está inmerso en aire?

El aire caliente del interior tiene menor densidad que el aire frío exterior.
El peso total del globo (envoltura + canastilla + aire caliente) es menor que el empuje del aire desalojado: $P < E$ .
Para descender o mantenerse en equilibrio, se ajusta el peso soltando lastre o dejando enfriar el aire.

Respuesta

Asciende porque su peso total es menor que el empuje del aire; el equilibrio se logra ajustando $P$ o $E$ .

Ejercicio 4

Compara las condiciones de flotación en agua y en aire.

En agua: $\rho_{agua} \approx 1000 \, \text{kg/m}^{3}$ ; el empuje es grande y los cuerpos deben ser poco densos o huecos.
En aire: $\rho_{aire} \approx 1{,}2 \, \text{kg/m}^{3}$ ; el empuje es pequeño, por lo que se necesitan volúmenes muy grandes y gases ligeros o calientes.
En ambos casos la condición de flotación es la misma: $E = \rho_{f} \cdot g \cdot V_{d} \ge P$ .

Respuesta

La condición física es idéntica ( $E \ge P$ ), pero en aire se requieren volúmenes mucho mayores por la baja densidad del fluido.

Contenido de la página

Aplicaciones del principio de Arquímedes

Existen medios de transporte como los barcos de diferentes tamaños que pueden flotar en mares, ríos o lagos, y otros, como los submarinos, que pueden sumergirse y salir a flote; esto es posible al aplicar el principio de Arquímedes. Al diseñar embarcaciones, ya sean transatlánticos o botes de pesca pequeños, debe considerarse que su peso sea menor a la fuerza de empuje del fluido donde navegarán.

El principio de Arquímedes se puede aplicar al funcionamiento de un submarino, el cual tiene la capacidad de hundirse o de flotar en el mar. Cuando flota, uno de sus compartimentos se encuentra lleno de aire, entonces su densidad es menor a la del agua. Cuando se requiere sumergirlo, se abre una compuerta que permite la entrada de agua, la cual, a su vez, comprime el aire de ese compartimento, dando lugar a que el peso del submarino sea mayor que la fuerza de empuje del mar, es decir, se vuelve más denso que el agua. Eso hace que el submarino se hunda. Cuando este desaloja una cantidad de líquido cuyo peso es menor que el propio, ascenderá hasta llegar a flote; el agua que entró en él se expulsa y el aire se vuelve a expandir.

Los globos aerostáticos en donde viajan personas o los globos meteorológicos que recaban información sobre el clima están inmersos en un fluido que es el aire. Por tanto, su densidad total o peso es menor al empuje que recibe de parte del fluido donde se encuentra debido a que llevan aire caliente en su interior. Además, conservan una condición de equilibrio a cualquier altitud mediante el ajuste de su peso ( $P$ ) o del empuje ( $E$ ). El peso puede aligerarse al soltar el lastre que sirve para ese propósito.

Ejemplos resueltos

Un barco tiene un peso de $5\times10^{7}\,\text{N}$ . ¿Qué volumen de agua de mar ( $\rho = 1025\,\text{kg/m}^{3}$ ) debe desalojar para flotar?

En equilibrio $E = P$ , entonces $\rho_{f} \cdot g \cdot V_{d} = P$ . Despejando: $V_{d} = \frac{P}{\rho_{f} \cdot g} = \frac{5\times10^{7}}{1025 \cdot 9{,}8} \approx 4977\,\text{m}^{3}$ .

Tabla

Aplicación	Fluido	Condición	Control
Barco	Agua	$E = P$	Diseño del casco
Submarino	Agua	$E > P$ o $E < P$	Lastre de agua
Globo aerostático	Aire	$E > P$	Aire caliente y lastre

Diagrama

graph TD
  A[Principio de Arquímedes] --> B[Empuje E = ρ·g·V]
  A --> C[Peso P = m·g]
  B --> D{Comparación}
  C --> D
  D -->|E > P| E[Flota]
  D -->|E = P| F[Equilibrio]
  D -->|E < P| G[Se hunde]
  E --> H[Barcos y globos]
  G --> I[Submarino sumergido]

Fórmulas y ecuaciones

E = $\rho_{f}$ $\cdot$ g $\cdot$ $V_{d}$

P = m $\cdot$ g

E = $\rho_{f}$ $\cdot$ g $\cdot$ $V_{d}$

P = m $\cdot$ g

$\rho$ = $\frac{m}{V}$

E = P $\quad$ $\text{(equilibrio de flotación)}$

Glosario (4)

Empuje: Fuerza vertical hacia arriba que ejerce un fluido sobre un cuerpo sumergido; equivale al peso del fluido desalojado.
Densidad: Cociente entre la masa de un cuerpo y su volumen.
Lastre: Peso que se añade o suelta para modificar el peso total de un cuerpo y controlar su flotación.
Flotar: Mantenerse en la superficie de un fluido cuando el empuje iguala o supera al peso del cuerpo.

Preguntas para practicar

¿Qué pasaría con un barco si su peso fuera mayor que el empuje del agua?

El barco se hundiría, porque la fuerza resultante sería hacia abajo. Para evitarlo, el diseño debe garantizar que el peso total sea menor o igual al empuje máximo que puede recibir del fluido.

¿Por qué los globos meteorológicos usan gases ligeros o aire caliente?

Porque necesitan que su densidad total sea menor que la del aire que los rodea. Al usar gases ligeros o aire caliente, el peso del globo disminuye y el empuje del aire lo hace ascender.

Temas y conceptos clave

Aplicaciones del principio de ArquímedesFlotación de embarcacionesFuncionamiento de submarinosGlobos aerostáticos y meteorológicosEmpujeDensidad promedioPesoEquilibrio de flotaciónLastre

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Figuras de la página (2)

Fotografía de un gran crucero navegando en el mar con cielo azul y edificios costeros al fondo. — Figura 1 image

Esquema de un globo aerostático con flechas que indican el empuje $E$ hacia arriba y el peso $P$ hacia abajo. — Figura 2 image

Preguntas que la gente también hace

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📌 Antes de leer esto

• Concepto de densidad
• Fuerza y peso
• Presión en fluidos
• Principio de Arquímedes

Siguiente tema sugerido

Cálculo cuantitativo del empuje y problemas de flotación

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Aplicaciones del principio de Arquímedes

Existen medios de transporte como los barcos de diferentes tamaños que pueden fotar en mares, ros o lagos, y otros, como los submarinos, que pueden sumergirse y salir a flote; esto es posible al aplicar el principio de Arquímedes. Al diseñar embarcaciones, ya sean transatlánticos o botes de pesca pequenos, debe considerarse que su peso sea menor a la fuerza de empuje del fuido donde navegarán.

El principio de Arquímedes se puede aplicar al funcionamiento de un submarino,el cual tiene la capacidad de hundirse o de flotar en el mar. Cuando flota, uno de sus compartimentos se encuentra lleno de aire, entonces su densidad es menor a la del agua. Cuando se requiere sumergirlo, se abre una compuerta que permite la entrada de agua, la cual, a su vez, comprime el aire de ese compartimento, dando lugar a que el peso del submarino sea mayor que la fuerza de empuje del mar,es decir, se vuelve más denso que el agua. Eso hace que el submarino se hunda.Cuando éste desaloja una cantidad de líquido cuyo peso es menor que el propio,ascenderá hasta llegar a flote; el agua que entró en él se expulsa y el aire se vuelve a expandir.

Los globos aerostáticos en donde viajan personas o los globos meteorológicos que recaban información sobre el clima están inmersos en un fluido que es el aire. Por tanto, su densidad total o peso es menor al empuje que recibe de parte del fluido donde se encuentra debido a que llevan aire caliente en su interior. Además, conservan una condición de equilibrio a cualquier altitud mediante el ajuste de su peso (P) o del empuje (E). El peso puede aligerarse al soltar el lastre que sirve para ese propósito.

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