En este artículo se explica en qué consiste la fuerza de empuje. De modo que encontrarás cómo calcular la fuerza de empuje, un ejercicio resuelto de este tipo de fuerzas y su relación con la flotabilidad, un concepto importante de mecánica de fluidos.
Índice
¿Qué es la fuerza de empuje?
La fuerza de empuje es una fuerza vertical hacia arriba que hace un fluido cuando se sumerge un cuerpo en él. En concreto, la fuerza de empuje es igual al peso del volumen desalojado por el cuerpo sumergido.
Por lo tanto, la fuerza de empuje se basa en el principio de Arquímedes. Por eso en ocasiones la fuerza de empuje recibe el nombre fuerza de empuje hidrostático o fuerza de empuje de Arquímedes.
La fuerza de empuje se produce debido a la presión que ejerce un fluido sobre las caras de cualquier cuerpo sumergido. Como la presión es directamente proporcional a la profundidad, la cara más profunda del cuerpo recibe una presión mayor que la cara de arriba y, en consecuencia, el fluido ejerce una fuerza hacia arriba sobre el cuerpo.
Fórmula de la fuerza de empuje
La fuerza de empuje es igual al peso del volumen del líquido desalojado por el cuerpo sumergido (parcial o totalmente) en el fluido. Por lo tanto, la fuerza de empuje se calcula multiplicando la densidad del fluido por la gravedad por el volumen de fluido desalojado.
Así pues, la fórmula de la fuerza de empuje es la siguiente:
Donde:
es la fuerza empuje, expresada en newtons.
es la densidad del fluido, expresada en kg/m3.
es el valor de la aceleración de la gravedad.
es el volumen desalojado por el cuerpo sumergido.
Si te fijas, el producto de la densidad del fluido por la gravedad es equivalente al peso específico del fluido. De manera que la fuerza de empuje también se puede determinar mediante la siguiente expresión:
En condiciones normales, la fuerza de empuje es vertical hacia arriba y su punto de aplicación es el centro de gravedad del cuerpo sumergido.
Ejemplo del cálculo de la fuerza de empuje
Una vez hemos visto la definición de fuerza de empuje y cuál es su fórmula, en este apartado se muestra un ejemplo de cómo se calcula este tipo de fuerza.
- Se introduce un cubo cuya arista mide 50 cm en un recipiente lleno de agua (ρ=1000 kg/m3). Si el cubo queda sumergido completamente en el recipiente, ¿cuál es el valor de la fuerza de empuje aplicada por el líquido sobre el cubo? Datos: g=9,81 m/s2.
Si todo el cuerpo del cubo queda sumergido dentro del agua, significa que el volumen desalojado de fluido será equivalente al volumen del cubo. Así que primero calculamos el volumen del cubo:
Entonces, utilizamos la fórmula de la fuerza de empuje para hallar su valor:
Y, por último, sustituimos los datos en la fórmula y hacemos el cálculo de la fuerza de empuje:
La fuerza de empuje y la flotabilidad
En este último apartado veremos la relación entre la fuerza de empuje y la flotabilidad, ya que son dos conceptos estrechamente relacionados en física.
La flotabilidad es la capacidad de un cuerpo para mantenerse en equilibrio dentro de un fluido. De manera que, para que un objeto flote dentro de un fluido, la fuerza de empuje ejercida por el fluido al cuerpo debe ser igual a la fuerza del peso del cuerpo. De lo contrario, el cuerpo irá hacia arriba o hacia abajo dependiendo del caso.
- Flotabilidad positiva: el cuerpo tiende a ascender dentro del fluido, por lo tanto, la fuerza de empuje es mayor que la fuerza del peso del cuerpo.
- Flotabilidad negativa: el cuerpo tiende a descender dentro del fluido, es decir, el cuerpo se hunde. Lo que significa que la fuerza de empuje es menor que la fuerza del peso.
- Flotabilidad neutra: el cuerpo está en equilibrio dentro del fluido, o dicho de otra forma, el cuerpo permanece en suspensión dentro del fluido. En este caso la fuerza de empuje aplicada por el fluido al cuerpo es equivalente a su peso.
