Widzieliście kiedyś jeden z tych olbrzymich statków wycieczkowych? Albo statek towarowy wypełniony kontenerami? A może nawet lotniskowiec pokryty samolotami odrzutowymi? W jaki sposób te ogromne statki są w stanie unosić się na wodzie? Woda ma dużo mniejszą gęstość niż stal, z której zbudowane są te statki. Dlaczego więc te statki nie toną na dnie portu?
Co to jest pływalność?
Możemy podziękować Archimedesowi za to, że jako pierwszy wyjaśnił zasadę stojącą za tą zagadką. Archimedes był greckim naukowcem, który urodził się w 287 roku przed naszą erą. Zasada ta znana jest jako siła wyporu lub Zasada Archimedesa.
Zasada Archimedesa stwierdza, że siła wywierana na obiekt w płynie jest równa ciężarowi płynu wypartego (przesuniętego z drogi) przez ten obiekt. Siła ta nazywana jest siłą wyporu. Siła wyporu wypycha obiekt do góry. Grawitacja wywiera na obiekt siłę skierowaną w dół (jego ciężar), która jest określona przez masę obiektu. Jeśli więc siła wywierana w dół na obiekt przez grawitację jest mniejsza niż siła wyporu, obiekt będzie się unosił na wodzie.
Czy wiesz?
Uważa się, że Archimedes biegał nago po ulicach krzycząc „Eureka!” („Mam to!” po grecku) po tym, jak zdał sobie sprawę, że ilość wody wypartej z jego wanny jest równa masie jego ciała.
Jak wypór wiąże się z gęstością?
Jeśli klocek drewna o wymiarach jednego centymetra sześciennego (1 cm x 1 cm x 1 cm) zostanie umieszczony w pojemniku z wodą, ilość wypartej wody będzie równa masie tego klocka. Ale co się stanie, jeśli klocek tej samej wielkości zostanie wykonany z ołowiu? Ołów ma znacznie większą gęstość niż drewno. Jeśli jednocentymetrowy blok ołowiu zostanie umieszczony w pojemniku z wodą, ilość wypartej wody będzie równa ciężarowi bloku ołowiu.
W przypadku drewna, ciężar wypartej wody jest niewielki. Siła wyporu jest większa od siły grawitacji, więc drewno unosi się na wodzie. Ołów jest gęstszy niż drewno. Oznacza to, że zawiera więcej masy w tej samej objętości. Zatem więcej wody jest wypierane przez ołów niż przez drewno. Siła grawitacji na ołowiu przewyższa siłę wyporu, więc ołów tonie.
Jak siła wyporu i gęstość odnoszą się do statków?
Jak ta zasada może być zastosowana do statków? Statki są ogromnymi stalowymi jednostkami pływającymi. Statek może mieć masę setek tysięcy ton. Stal jest znacznie gęstsza od wody, więc można by pomyśleć, że masywne stalowe statki zatoną, prawda? Cóż, pomyśl jeszcze raz! To, co pomaga utrzymać statki na powierzchni, to ich kształt i to, co znajduje się w ich wnętrzu. Statki nie są litymi kawałkami stali. Zamiast tego, są one w większości wydrążonymi stalowymi skorupami. Wewnątrz statku znajduje się wiele różnych elementów. Na przykład w środku może znajdować się silnik statku, paliwo i ładunek. Ale najważniejsze jest to, że wewnątrz statku jest powietrze!
Czy wiesz, że?
Najcięższym statkiem na świecie jest Pioneering Spirit. Wypiera on około 900 000 ton metrycznych wody. Jest to równowartość około 300 000 słoni!
Powietrze, które znajduje się wewnątrz statku, ma znacznie mniejszą gęstość niż woda. To właśnie utrzymuje go na powierzchni! Średnia gęstość całkowitej objętości statku i wszystkiego, co się w nim znajduje (łącznie z powietrzem) musi być mniejsza niż ta sama objętość wody. Gdy statek jest osadzony w wodzie, napiera na nią i wypiera ilość wody równą swojemu ciężarowi. Im bardziej całkowita gęstość statku jest zbliżona do gęstości tej samej objętości wody, tym większa część statku znajdzie się w wodzie. Jeśli średnia gęstość statku jest większa niż gęstość wody, statek zatonie pod powierzchnią wody.
Gdy statek tonie, dzieje się tak dlatego, że woda dostaje się do środka. Wypycha ona powietrze, przez co średnia gęstość statku jest większa niż gęstość wody. Jedną z najsłynniejszych katastrof jest zatonięcie RMS Titanic. Statek uderzył w górę lodową u południowych wybrzeży Nowej Fundlandii w kwietniu 1912 roku. Góra lodowa wyrwała kilka małych otworów w kadłubie statku, wpuszczając wodę do dziobu. W miarę jak do wnętrza statku dostawało się coraz więcej wody, powietrze było wypychane na zewnątrz. To spowodowało, że statek zatonął na dnie oceanu.
Tak jak każdy inny statek, który kiedykolwiek zatonął, Titanic ostatecznie poszedł na dno oceanu z powodu (braku) pływalności!
Czy wiesz, że?
Po uderzeniu w górę lodową Titanic zatonął w ciągu 160 minut. To tylko 2 godziny i 40 minut!
.