Láttál már olyan óriási sétahajót? Vagy egy teherhajót, ami tele van konténerekkel? Vagy talán még egy sugárhajtású repülőgépekkel borított repülőgép-hordozót is? Hogyan képesek ezek a hatalmas hajók úszni a vízen? A víz sokkal kisebb sűrűségű, mint az acél, amiből ezek a hajók készülnek. Akkor miért nem süllyednek ezek a hajók a kikötő fenekére?
Mi a felhajtóerő?
Archimédésznek köszönhetjük, hogy elsőként magyarázta el a rejtvény alapelvét. Arkhimédész görög tudós volt, aki i. e. 287-ben született. Ezt az elvet felhajtóerőnek vagy Arkhimédész elvének nevezik.
Az Arkhimédész-elv kimondja, hogy a folyadékban lévő tárgyra ható erő egyenlő a tárgy által kiszorított (útjából elmozdított) folyadék súlyával. Ezt az erőt nevezzük felhajtóerőnek. A felhajtóerő felfelé nyomja a tárgyat. A gravitáció lefelé ható erőt gyakorol a tárgyra (annak súlyára), amelyet a tárgy tömege határoz meg. Ha tehát a gravitáció által a tárgyra lefelé ható erő kisebb, mint a felhajtóerő, akkor a tárgy lebegni fog.
Tudtad?
Archimédeszről úgy tartják, hogy meztelenül futott végig az utcákon “Heuréka!” kiáltozva. (“Megvan!” görögül), miután rájött, hogy a fürdőjéből kiszorított víz mennyisége megegyezik a testsúlyával.
Hogyan függ össze a felhajtóerő a sűrűséggel?
Ha egy egy köbcentiméteres (1 cm x 1 cm x 1 cm) fatömböt egy víztartályba helyezünk, a kiszorított víz mennyisége megegyezik a fatömb súlyával. De mi a helyzet akkor, ha egy ugyanekkora méretű tömböt ólomból készítenek? Az ólomnak sokkal nagyobb a sűrűsége, mint a fának. Ha egy egy köbcentiméteres ólomtömböt egy vizes edénybe helyezünk, a kiszorított víz mennyisége megegyezik az ólomtömb súlyával.
A fa esetében a kiszorított víz súlya kicsi. A felhajtóerő nagyobb, mint a gravitációs erő, ezért a fa lebeg. Az ólom sűrűbb, mint a fa. Ez azt jelenti, hogy ugyanabban a térfogatban több tömeget tartalmaz. Tehát több vizet szorít ki az ólom, mint a fa. Az ólomra ható gravitációs erő meghaladja a felhajtóerőt, ezért az ólom elsüllyed.
Hogyan alkalmazható a felhajtóerő és a sűrűség a hajókra?
Hogyan alkalmazható ez az elv a hajókra? A hajók hatalmas acélhajók. Egy hajó tömege több százezer tonna is lehet. Az acél sokkal sűrűbb, mint a víz, ezért azt gondolnánk, hogy a hatalmas acélhajók elsüllyednek, igaz? Nos, gondolja megint! Ami segít a hajókat a felszínen tartani, az az alakjuk és a belsejük. A hajók nem szilárd acéldarabok. Ehelyett többnyire kivájt acélhéjakból állnak. A hajó belsejében mindenféle alkatrész található. Például a hajó motorja, az üzemanyag és a rakomány is lehet benne. De ami a legfontosabb, a hajó belsejében levegő van!
Tudtad?
A világ legnehezebb hajója a Pioneering Spirit. Körülbelül 900 000 tonna vizet szorít ki. Ez körülbelül 300 000 elefántnak felel meg!
A hajó belsejében lévő levegő sokkal kisebb sűrűségű, mint a víz. Ez tartja lebegésben a hajót! A hajó és minden benne lévő dolog (beleértve a levegőt is) teljes térfogatának átlagos sűrűségének kisebbnek kell lennie, mint ugyanannak a vízmennyiségnek. Ahogy a hajó vízbe kerül, a hajó a súlyával megegyező mennyiségű vizet nyom lefelé, és kiszorítja azt. Minél közelebb van a hajó teljes sűrűsége az azonos térfogatú víz sűrűségéhez, annál nagyobb lesz a hajó vízben lévő része. Ha a hajó átlagos sűrűsége mindig nagyobb, mint a víz sűrűsége, akkor a hajó elsüllyed a víz felszíne alá.
Amikor egy hajó elsüllyed, az azért történik, mert víz kerül a hajóba. Ez kiszorítja a levegőt, így a hajó átlagos sűrűsége nagyobb lesz, mint a vízé. Az egyik leghíresebb katasztrófa az RMS Titanic elsüllyedése. A hajó 1912 áprilisában jéghegynek ütközött Új-Fundland déli partjainál. A jéghegy több apró lyukat tépett a hajótestbe, és a hajó orrába vizet engedett. Ahogy egyre több víz került a hajóba, a levegő kiszorult. Ennek következtében a hajó az óceán fenekére süllyedt.
Mint minden más hajó, amely valaha elsüllyedt, a Titanic is az óceán fenekére süllyedt végül a felhajtóerő (hiánya) miatt!
Tudtad?
A jéghegynek ütközése után a Titanic 160 perc alatt süllyedt el. Az csak 2 óra 40 perc volt!