Tal vez esta ley de flotabilidad necesita un poco más de imágenes y aclaraciones.
Considere un “cubo” de agua a cierta profundidad en … un mar de agua. Veamos las fuerzas que actúan sobre él. La presión de equilibrio en un líquido es isotrópica, de modo que en cada punto del líquido la presión es igual desde todos los lados (de lo contrario, una fuerza neta actuaría sobre él y comenzaría a moverlo).
La presión en el lado superior del cubo (que actúa hacia abajo) está determinada por el peso de la columna de agua sobre él. La presión en el lado inferior (que actúa hacia arriba) viene dada por la misma columna de agua aumentada con el peso / altura del cubo. [La presión en los lados laterales es una función lineal que une los valores arriba y abajo. Los lados opuestos están en equilibrio.]
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La diferencia de presión ( – arriba + abajo) se compensa con el propio peso del cubo. Es por eso que cualquier cubo de líquido está en equilibrio en un gran volumen del mismo a su alrededor. Debe notarse aún que la presión del fondo no está condicionada por la presencia de agua en el cubo encima, ¡sino por la presencia general de agua a su alrededor!
Ahora, considere quitar el agua contenida en nuestro cubo, dejando un espacio vacío (rodeado por una cáscara rígida, sin peso y sin dimensiones). ¡Las presiones superior e inferior permanecen sin cambios, pero ahora ya no están en equilibrio con el peso del agua del cubo! Entonces, la presión inferior (generada por el peso de toda el agua alrededor) comienza a empujar el cubo más hacia arriba , que la presión superior lo empuja hacia abajo .
A continuación, tenga en cuenta que el mismo razonamiento se aplica a los “mares” de gas , como el aire que nos rodea (y que uno pesa más de lo que a menudo nos damos cuenta: aproximadamente 10 metros de columna de agua equivalente al nivel del mar).
Finalmente, cualquier cuerpo flotante que reemplace nuestro cubo (en agua o aire) puede restablecer el equilibrio a esa profundidad / altura dada, siempre que su peso sea igual al peso inicial del cubo de agua / aire. En el caso de un barco: el peso de sus materiales contenidos y el aire. En el caso de esta pregunta: el peso del gas helio más ligero y su caparazón.
b Solo el gas más ligero flotaría hacia arriba y escaparía. Pero “lastimado” con el peso de su caparazón flotará hasta que alcance la altura de equilibrio (profundidad para un submarino flotante) como se describió anteriormente.