Oletko koskaan nähnyt sellaista jättimäistä risteilyalusta? Tai rahtilaivaa, joka on kasattu täyteen kontteja? Tai kenties jopa suihkukoneiden peittämän lentotukialuksen? Miten nämä valtavat laivat pystyvät kellumaan vedessä? Vesi on paljon vähemmän tiheää kuin teräs, josta nämä laivat on tehty. Miksi nämä laivat eivät siis uppoa sataman pohjaan?
Mitä on kelluvuus?
Voitamme kiittää Arkhimedeusta siitä, että hän selitti ensimmäisenä tämän arvoituksen taustalla olevan periaatteen. Arkhimedes oli kreikkalainen tiedemies, joka syntyi vuonna 287 eaa. Tämä periaate tunnetaan nimellä kelluvuus tai Arkhimedeen periaate.
Arkhimedeen periaate sanoo, että nesteessä olevaan kappaleeseen kohdistuva voima on yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän (pois tieltä siirtämän) nesteen paino. Tätä voimaa kutsutaan kelluntavoimaksi. Kelluntavoima työntää esinettä ylöspäin. Painovoima kohdistaa esineeseen alaspäin suuntautuvan voiman (sen paino), joka määräytyy esineen massan mukaan. Jos siis painovoiman esineeseen alaspäin kohdistama voima on pienempi kuin kelluntavoima, esine kelluu.
Tiesitkö?
Arkimedeen uskotaan juosseen alasti kaduilla huutaen ”Heureka!”. (”Sain sen!” kreikaksi) tajuttuaan, että hänen kylvystään syrjäytetty vesimäärä oli yhtä suuri kuin hänen ruumiinsa paino.
Miten kelluvuus liittyy tiheyteen?
Jos yhden kuutiosenttimetrin (1 cm x 1 cm x 1 cm) kokoinen puupölkky asetetaan vesiastiaan, syrjäytetty vesimäärä on yhtä suuri kuin puupölkyn paino. Mutta entä jos samankokoinen pölkky on tehty lyijystä? Lyijyn tiheys on paljon suurempi kuin puun. Jos yhden kuutiosenttimetrin kokoinen lyijylohkare asetetaan vesiastiaan, syrjäytyneen veden määrä on yhtä suuri kuin lyijylohkareen paino.
Puun tapauksessa syrjäytyneen veden paino on pieni. Kelluntavoima on suurempi kuin painovoima, joten puu kelluu. Lyijy on tiheämpää kuin puu. Se tarkoittaa, että se sisältää enemmän massaa samassa tilavuudessa. Lyijy syrjäyttää siis enemmän vettä kuin puu. Lyijyyn kohdistuva painovoima ylittää kelluntavoiman, joten lyijy uppoaa.
Miten kelluvuus ja tiheys soveltuvat laivoihin?
Miten tätä periaatetta voidaan soveltaa laivoihin? Laivat ovat valtavia teräsaluksia. Laivan massa voi olla satoja tuhansia tonneja. Teräs on paljon tiheämpää kuin vesi, joten luulisi, että massiiviset teräsalukset uppoaisivat, eikö niin? No, ajattele uudelleen! Se, mikä auttaa pitämään laivat pinnalla, on niiden muoto ja se, mitä niiden sisällä on. Laivat eivät ole kiinteitä teräskappaleita. Sen sijaan ne ovat enimmäkseen onttoja teräskuoria. Laivan sisällä on kaikenlaisia komponentteja. Esimerkiksi aluksen moottori, polttoaine ja lasti voivat olla aluksen sisällä. Mutta mikä tärkeintä, laivan sisällä on ilmaa!
Tiesitkö?
Maailman raskain laiva on Pioneering Spirit. Se syrjäyttää noin 900 000 tonnia vettä. Se vastaa noin 300 000 norsua!
Laivan sisällä oleva ilma on paljon vähemmän tiheää kuin vesi. Se pitää sen kellumassa! Laivan ja kaiken sen sisällä olevan (myös ilman) kokonaistilavuuden keskimääräisen tiheyden on oltava pienempi kuin saman vesitilavuuden. Kun laiva upotetaan veteen, se painuu alaspäin ja syrjäyttää painonsa verran vettä. Mitä lähempänä laivan kokonaistiheys on saman vesitilavuuden tiheyttä, sitä suurempi osa laivasta on vedessä. Jos laivan keskimääräinen tiheys on aina suurempi kuin veden tiheys, laiva uppoaa veden pinnan alle.
Kun laiva uppoaa, se johtuu siitä, että laivaan tulee vettä. Tämä pakottaa ilman ulos, jolloin laivan keskimääräinen tiheys on suurempi kuin veden tiheys. Yksi tunnetuimmista katastrofeista on RMS Titanicin uppoaminen. Alus törmäsi jäävuoreen Newfoundlandin etelärannikolla huhtikuussa 1912. Jäävuori repi laivan runkoon useita pieniä reikiä, jotka päästivät vettä aluksen keulaan. Kun laivaan tuli lisää vettä, ilma pakotettiin ulos. Tämä aiheutti aluksen vajoamisen merenpohjaan.
Aivan kuten kaikki muutkin koskaan uponnut laivat, Titanic upposi lopulta meren pohjaan kelluvuuden (puutteen) vuoksi!
Tiesitkö?
Jäävuoreen törmättyään Titanic upposi 160 minuutissa. Se on vain 2 tuntia ja 40 minuuttia!