Primero, lo básico: por qué un barco flota y dónde actúa cada fuerza
Un barco flota porque el agua que desplaza lo empuja hacia arriba con una fuerza igual al peso de esa agua (el principio de Arquímedes). El acero es mucho más denso que el agua, pero el casco está lleno de aire, así que, en conjunto, el barco pesa menos que el agua que ocuparía su volumen.
Para entender qué pasa al inclinarse, hay que fijarse en dónde actúa cada fuerza. El peso de todo el barco, con su carga, actúa como si estuviera concentrado en un punto: el centro de gravedad (se suele llamar G). El empuje del agua actúa en otro punto, el centro de empuje o de carena (B), que es el centro del volumen de agua que el casco desplaza [3]. Con el barco derecho y quieto, B y G están en la misma línea vertical [3].
Qué hace que un barco inclinado vuelva a ponerse derecho
Cuando el barco se inclina hacia un lado, la parte del casco que está dentro del agua cambia de forma: un lado se sumerge más y el otro sale. Por eso el punto B se mueve hacia el lado que se hunde. En cambio, G casi no se mueve, porque depende de dónde están el peso y la carga, y eso no ha cambiado [3].
Ahora el peso (que tira hacia abajo desde G) y el empuje (que empuja hacia arriba desde B) ya no están en la misma vertical. El peso y el empuje actúan en lugares distintos, y esa separación hace girar el barco; si el barco es estable, ese giro lo lleva de vuelta a la posición derecha [3].
Los ingenieros navales resumen esto con una distancia: la altura metacéntrica, o GM. Es la distancia entre G y un punto llamado metacentro (M), que se define a partir de las líneas de empuje del barco derecho y del barco ligeramente inclinado. Una GM mayor significa más estabilidad inicial frente al vuelco [3]. Dicho sin fórmulas: cuanto más arriba está M respecto de G, más fuerte es el giro que endereza el barco.
Imagina un juguete con una base redondeada y el peso en la parte baja: al inclinarlo, vuelve a levantarse. El barco no funciona igual (su empuje cambia por la forma del agua que desplaza, no porque ruede sobre una base), pero la idea de que «el peso bajo ayuda» se parece.
Por qué subir la carga hace al barco menos estable
Si colocas peso en un lugar alto, G sube. Como GM es la distancia entre G y M, al subir G la GM se acorta y el giro que endereza al barco se debilita [3]. Por eso la posición de cada contenedor se planifica antes de cargar y no se coloca al azar.
También sorprende lo contrario: una GM muy grande tampoco es lo ideal. Con una GM muy grande el barco se endereza con mucha fuerza y el balanceo se vuelve más corto y brusco, algo incómodo para los pasajeros; por eso en los barcos de pasajeros se considera ideal una GM suficiente, pero no excesiva [3]. La meta no es la GM más grande posible, sino la adecuada para cada viaje.
Por qué el agua de un tanque a medio llenar es un problema
Hay otra forma de perder estabilidad sin mover la carga: dejar un tanque a medio llenar. Cuando el barco se inclina, el líquido de ese tanque se desliza hacia el lado bajo. Ese movimiento desplaza peso hacia un lado y, en la práctica, es como si el centro de gravedad estuviera más arriba de lo que realmente está. El resultado es una GM menor y una fuerza de enderezamiento más débil [4]. Se llama efecto de superficie libre.
Una tesis del MIT de 1958 sobre barcos de guerra describe la misma idea: la superficie libre produce una reducción virtual de la altura metacéntrica [5]. Por eso conviene llevar los tanques completamente llenos o completamente vacíos, y evitar los «a medias» [4].
Por qué un barco sin carga se llena de agua de mar a propósito
Si un barco descarga todo, queda ligero y flota muy alto, y eso no es bueno para navegar con seguridad. Desde que existen los cascos de acero se usa agua como lastre para estabilizar los barcos en el mar. La Organización Marítima Internacional (OMI), el organismo de la ONU que fija normas de seguridad y protección del medio marino, explica que el agua de lastre reduce la tensión sobre el casco, da estabilidad transversal, mejora la propulsión y la maniobra, y compensa los cambios de peso por la carga, el combustible y el agua [1].
El lastre tiene un lado delicado: el agua de mar trae organismos vivos, como bacterias, huevos y larvas. Si se vacía en otro puerto, algunos pueden sobrevivir y convertirse en especies invasoras que desplazan a las nativas [1]. Según la OMI, los primeros indicios se vieron tras la aparición masiva de un alga asiática (Odontella sinensis) en el Mar del Norte en 1903, aunque el problema no se estudió en detalle hasta los años setenta [1]. El convenio internacional para controlar el agua de lastre se adoptó en 2004 y entró en vigor el 8 de septiembre de 2017 [2].
Entonces, ¿cómo evita volcar un barco con la carga muy arriba?
No hay un único motivo, y no todos los detalles los he podido confirmar en fuentes abiertas, así que aquí van solo las ideas que sí se sostienen. Primero, la estabilidad depende de la distancia GM, y por eso la posición de la carga importa [3]. Segundo, el lastre ayuda a compensar los cambios de peso [1]. Tercero, se evitan los tanques a medias [4].
Hay un cuarto factor que tiene que ver con la forma del casco: en un casco muy ancho, al inclinarse cambia más la forma del agua desplazada, y eso tiende a dar más estabilidad. Es un razonamiento de física general; no he comprobado en una fuente abierta cuánto pesa este factor en los grandes portacontenedores actuales, así que queda como idea para investigar.
Una prueba sencilla en casa con una caja de plástico flotando
Llena un balde o un recipiente ancho con agua. Haz flotar una caja de plástico vacía y pega con cinta unas monedas en el centro del fondo, por dentro. Inclínala con un dedo y suéltala: se endereza. Ahora pega las mismas monedas, también en el centro, pero a media altura de la pared interior o sobre un soporte pequeño, y repite. Solo cambia la altura del peso: si está más arriba, la caja suele enderezarse peor o volcarse antes. Hazlo sobre una superficie que se pueda mojar y, si eres menor, con un adulto cerca.
Si quieres seguir, busca «altura metacéntrica» y «efecto de superficie libre», y compara lo que dicen las páginas de la OMI con los apuntes de escuelas de ingeniería naval.