Densidad y Flotabilidad: _{Definiciones y unidades}

¿Qué es la densidad?

Arquímedes había usado el concepto de densidad para exponer este fraude. La densidad es una propiedad física de la materia que describe el grado de compacidad de una substancia. La densidad describe cuán unidos están los átomos de un elemento o las moléculas de un compuesto. Mientras más unidas están las partículas individuales de una substancia, más densa es la substancia. Puesto que las diferentes substancias tienen densidades diferentes, la medidas de la densidad son una vía útil para identificar las substancias.

Por ejemplo, ¿cómo distinguir una tonelada métrica de plumas de una tonelada métrica de ladrillos si no puede vistas?

Una tonelada métrica de plumas o ladrillos tiene un masa idéntica de 1,000 kilogramos (una tonelada métrica). Sin embargo, una tonelada métrica de plumas ocupa un volúmen de casi 400 millones cm³ (más o menos el tamaño de 4 tractores), mientras que una tonelada métrica de ladrillos ocupa solo medio millon cm³ (más o menos el tamaño de una televisión grande). Los ladrillos son más densos que las plumas porque su masa está contenida en un volumen más pequeño. Esta relación entre masa y volúmen de una substancia es lo que define la propiedad física de la densidad:

La densidad es una propiedad intensiva de la materia definida como la relación de la masa de un objeto dividida por su volumen. La masa es la cantidad de materia contenida en un objeto y comúnmente se la mide en unidades de gramos (g). El volumen es la cantidad de espacio ocupado por la cantidad de la materia y es comúnmente expresado en centímetros cúbicos (cm³) o en mililitros (ml) (un cm³ es igual a 1 ml). Por consiguiente, las unidades comunes usadas para expresar la densidad son gramos por mililitros (g/ml) y gramos por centímetros cúbicos (g/cm³).

Veamos un ejemplo. Un ladrillo típico tiene una masa de 2,268 g y ocupa un volumen de 1,230 cm³. La densidad del ladrillo es por tant:

La densidad es un concepto fácil de confundir. Por ejemplo, muchas cosas que comúnmente creemos que son 'livianas' o 'pesadas' no tienen masas diferentes, pero sí tienen densidades diferentes. Mire la tabla aquí mostrada para ver ejemplos de las densidades de substancias comunes.

Flotabilidad o Ligereza

Cuando Arquímedes se sumergió en la piscina, no sólo notó que el agua se desparramaba, sino que notó algo que hacemos cuando nadamos, se sintió más liviano. La habilidad de un objeto de 'flotar' cuando está en un fluido se llama fuerza ligera, y está relacionada con la densidad. Si un objeto es menos denso que el fluido donde está sumergido, él 'flotará' en el fluido. Pero si es más denso que el fluído se 'hundirá'.

Este concepto explica por qué algunos objetos flotan en el agua y otros se hunden. Por ejemplo, la madera flota en el agua porque es menos densa, en cambio el acero se hunde porque es más denso que el agua. ¿Cómo se mantiene a flote un gran barco? Los barcos grandes tienen una tremenda cantidad de espacio en ellos que está lleno de aire (piense en esto: cabinas, cines, casinos en barcos, etc.). Mientras que el acero es más denso que el agua, el aire es menos denso. Los barcos de metal pueden flotar porque la densidad total es menor que la densidad del agua en la que flotan. Cuando el casco de un barco se quiebra, como cuando el Titanic chocó con un iceberg, el agua se precipita en el barco reemplazando al aire en el casco del barco. Es así que la densidad total del barco cambia cuando el barco se hunde.  

Este concepto que describe la densidad que cambia es comúnmente empleado en otro tipo de barco, el submarino. Un submarino tiene un volúmen constante pero puede variar su masa cuando retiene agua en sus tanques de balastro. Cuando el agua en los tanques de balastro, la masa, (y por consiguiente la densidad) del submarino aumenta y el submarino alcanza una ligereza negativa, eso le permite sumergirse en las profundidades del oceáno. Al contrario, cuando el agua se sale del tanque de balastro, la densidad del barco baja permitiéndole salir a la superficie.

Este concepto de densidad también explica otro fenómeno común. ¿Ha notado lo que le pasa a una botella de aliño hecho de aceite y vinagre cuando se queda en reposo después de que ha sido movida? El aceite sube y el vinagre se queda en el fondo de la botella. Esto pasa porque el aceite es menos denso que el vinagre. Cuando materias de densidades diferentes entran en contacto, sus densidades determinan cómo se ordenan. Este fenómeno, donde las materias se acomodan de acuerdo a sus densidades se llama superposición. 

Densidad y otras propiedades intensivas

Otro factor que puede afectar la densidad de la materia es la temperatura. Muchos materiales se expanden cuando son calentados. Ya que los materiales que se expanden ocupan un volumen mayor, su densidad disminuye. Este hecho ocurre más comúnmente con gases y algunos líquidos y explica cómo funcionan los globos de aire caliente. Cuando el aire dentro del globo se calienta, este se expande y su densidad disminuye.  El globo adquiere ligereza positiva con respecto al aire frío que lo rodea y flota en el aire.

La densidad es una propiedad física importante de la materia. Es usada comúnmente como una manera de categorizar e identificar diferentes materiales. Además, una adecuada comprensión del concepto de densidad es muy importante para construir barcos y algo tan liviano como los globos de aire caliente.