1. Al empujar un barco, el agua que lo rodea también se mueve
Si metes la mano en el agua de la bañera y la mueves, sentirás más resistencia que si la movieras en el aire. Esto sucede porque tu mano debe apartar el agua y, al hacerlo, obliga a las moléculas circundantes a moverse también. En el caso de los barcos, ocurre exactamente lo mismo: cuando la nave acelera o desacelera, debe poner en movimiento una parte del agua que la rodea [1].
Este fenómeno aumenta la inercia aparente del barco, es decir, su resistencia a cambiar de velocidad. A este efecto se le llama "masa añadida" o "masa virtual". Para calcular con precisión cómo se moverá un barco, los ingenieros no solo usan la masa real de la estructura, sino que suman esta masa añadida para obtener la masa total efectiva en las ecuaciones de movimiento [2].
2. Por qué el agua frena mucho más que el aire
Aunque los objetos también mueven el aire cuando se desplazan, la masa añadida suele ser insignificante en comparación con la masa del objeto. Sin embargo, en el agua, la situación cambia drásticamente. Un estudio de la Universidad de Hokkaido señala que, debido a la mayor densidad del agua, la masa añadida puede ser aproximadamente 800 veces mayor que la que se experimenta en el aire [1].
Es importante aclarar que esto no significa que el barco pese 800 veces más. Significa que la influencia de la masa añadida es mucho más crítica en el agua que en el aire, por lo que debe considerarse seriamente en el diseño y el movimiento del barco [1].
3. Cómo el estudio de un péndulo reveló la masa añadida
Aunque hablamos de barcos, la comprensión inicial de la masa añadida provino del estudio de péndulos. En 1828, el físico alemán Bessel investigó el movimiento de péndulos y señaló que no bastaba con considerar la flotabilidad del fluido; también debía incluirse la inercia del fluido mismo. Bessel describió este aumento de inercia como una masa adicional equivalente a un múltiplo (k) de la masa del fluido desplazado [3].
Algunos documentos mencionan que ya en 1786, Du Buat había observado experimentalmente que el movimiento de una esfera oscilando bajo el agua no podía explicarse sin incluir esta masa añadida. No obstante, esta fecha y este nombre aparecen en una fuente secundaria [2].
4. Qué cambió al oscilar una esfera en el aire y en el agua
Bessel realizó mediciones oscilando una esfera de poco más de 2 pulgadas (aproximadamente 5 cm) en el aire y en el agua. Según los registros de Stokes, el coeficiente k en el aire fue de 0.9459 (luego corregido a 0.956), mientras que en el agua fue aproximadamente dos tercios del valor del aire [3].
Estos números representan el multiplicador de la masa del fluido desplazado. Aunque el coeficiente es menor en el agua, la masa del agua desplazada es mucho mayor que la del aire, por lo que la inercia adicional real es mucho más grande bajo el agua. Más tarde, en 1851, Stokes calculó teóricamente que, para una esfera, la masa añadida es aproximadamente la mitad de la masa del fluido que la esfera desplaza [4].
5. Cuánto pesa en realidad un barco cuando se mueve
Para los barcos reales, la masa añadida no es una curiosidad teórica, sino un factor de diseño crucial. Los estudios sobre pruebas de remolque durante la fase de aceleración indican que la masa añadida de un barco puede alcanzar hasta el 30% de su masa propia [2]. Por ejemplo, si un barco tiene una masa de 10,000 toneladas, la masa añadida podría ser de 3,000 toneladas en ciertos escenarios. Esto es un límite superior, no un valor constante para todas las situaciones [2].
Además, la masa añadida cambia según la dirección del movimiento: avanzar hacia adelante, desplazarse lateralmente o girar generan valores diferentes. Por lo tanto, el porcentaje del 30% debe interpretarse según la maniobra específica que esté realizando la nave [4].
6. Para qué sirve la masa añadida al atracar un barco en el puerto
Cuando un barco se acerca a un muelle, los ingenieros utilizan el concepto de "masa virtual" para calcular la energía del impacto en el atraque. Esta masa virtual se define como la suma de la masa del barco y su masa añadida [5]. Un informe experimental de 1977 del Instituto de Tecnología Portuaria del Ministerio de Transporte demostró que la masa virtual puede expresarse como una función lineal del desplazamiento del barco.
En ese experimento, cuando la relación entre la profundidad del agua y el calado del barco era de 1.10, el coeficiente de masa virtual fue de aproximadamente 2.3. Este valor era mayor que los coeficientes de 1.5 a 1.6 utilizados en las normas de diseño de la época, lo que mostró que la relación entre profundidad y calado influye en la masa virtual [6]. Cabe destacar que estos datos corresponden a experimentos de 1977 y no reflejan necesariamente las normas actuales.
7. Un experimento en casa para sentir la masa añadida del agua
Para entender mejor esta sensación de "peso invisible", puedes realizar una pequeña experiencia en casa. Llena un recipiente grande con agua y utiliza un cucharón o una tabla delgada. Mueve el objeto lentamente y luego rápidamente. ¿Cómo cambia la resistencia que sientes en tu mano? Luego, cambia la orientación del objeto: compara distintas orientaciones, más o menos fáciles para el agua. Compararás cómo la masa añadida varía según la forma y la dirección del movimiento.
Recuerda que el suelo mojado puede ser resbaladizo. Realiza esta actividad con un recipiente grande con agua, en un lugar donde puedas mojar el suelo, y siempre bajo la supervisión de un adulto para evitar caídas o accidentes [1]. Si te interesa profundizar, puedes consultar los resúmenes de los estudios académicos mencionados, como el de la Universidad de Hokkaido o los informes portuarios históricos [6].