Γιατί δεν βουλιάζουν τα πλοία αφού είναι μεταλλικά;

Η εμπειρία μας, μας λέει ότι αν ρίξουμε ένα μεταλλικό αντικείμενο στο νερό αυτό θα βουλιάξει, τι κρατάει, λοιπόν, τα πλοία στην επιφάνεια της θάλασσας;

Για να δούμε αν ένα αντικείμενο θα επιπλεύσει ή θα βουλιάξει στο νερό πρέπει να δούμε την πυκνότητα του αντικειμένου και να τη συγκρίνουμε με του νερού. Αν είναι μεγαλύτερη τότε βουλιάζει, αν είναι μικρότερη τότε επιπλέει.

Τα μεταλλικά αντικείμενα έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα από το νερό, για αυτό η εμπειρία μας, μας λέει ότι βουλιάζουν. Τα πλοία όμως δεν είναι συμπαγές μέταλλο, είναι “κούφια”, μέσα στο πλοίο υπάρχει αέρας. Ο αέρας λοιπόν μειώνει την πυκνότητα του πλοίου και του επιτρέπει να επιπλέει.
Το ερώτημα που γεννάται λοιπόν είναι: πότε μπορούμε να θεωρήσουμε τον αέρα ως μέρος του συστήματος; Το θεωρούμε επειδή το πλοίο κλείνει μέσα του αέρα και δεν είναι ανοιχτό;

Η απάντηση είναι όχι, θα επέπλεε ακόμη κι αν ήταν ανοιχτό από πάνω το πλοίο. Για να το κατανοήσουμε αυτό πρέπει να δούμε πώς ακριβώς δουλεύει η άνωση, αυτό θα μας πει και γιατί η πυκνότητα είναι αυτή που παίζει ρόλο σε αυτό το φαινόμενο.

Όπως πρώτος παρατήρησε ο Αρχιμήδης, τα σώματα που πέφτουν σε ένα υγρό εκτοπίζουν υγρό ίδιας όγκου με το αντικείμενο, ή το μέρος αυτού που έχει μπει μέσα στο νερό αν δεν έχει μπει όλο. Αν, λοιπόν, η πυκνότητα του αντικειμένου είναι μικρότερη εκτοπίζεται υγρό ίσης μάζας αλλά μικρότερου όγκο σε σχέση με το αντικείμενο, το οποίο εξουδετερώνει το βάρος του. Αν η πυκνότητά του είναι μεγαλύτερη εκτοπίζεται υγρό ίσου όγκου με το αντικείμενο αλλά, λόγω της μικρότερης πυκνότητας του νερού, μικρότερης μάζας, έτσι το βάρος του αντικειμένου δεν εξουδετερώνεται πλήρως αλλά μόνο ένα μέρος του, ίσο με το βάρος του νερού που εκτοπίστηκε.

Ένας διαφορετικός τρόπος να το δούμε, και ίσως πιο επιστημονικός, είναι λαμβάνοντας υπ’ όψη τις πιέσεις. Η πίεση ισούται με τη δύναμη που ασκείται προς την επιφάνεια. Όσο στις δύο πλευρές ενός σώματος ασκούνται ίσες και αντίθετες πιέσεις τότε το σώμα βρίσκεται σε ισορροπία.

Στο νερό πίεση ασκείτε τόσο από τα μόρια της επιφάνειας στα μόρια που βρίσκονται κάτω από αυτά, όσο και από τα μόρια που βρίσκονται κάτω σε αυτά που βρίσκονται από πάνω τους. Τα μόρια της επιφάνειας είναι εύκολο να δούμε τι πίεση ασκούν, ίση με το βάρος τους προς την επιφάνεια που καλύπτουν. Τα μόρια από κάτω είναι πιο δύσκολο να δούμε τι πίεση ασκούν αλλά μπορούμε να το βρούμε αφού γνωρίζουμε ότι τα μόρια της επιφάνειας βρίσκονται σε ισορροπία. Όπως είπαμε όταν ένα σώμα βρίσκεται σε ισορροπία τότε οι πιέσεις στις δύο πλευρές του είναι ίσες και αντίθετες, άρα η πίεση που ασκούν τα “κάτω” μόρια του νερού είναι ίση και αντίθετη με αυτή που ασκούν τα μόρια της επιφάνειας. Όταν λοιπόν πέσει ένα αντικείμενο στο νερό ασκεί αρχικά μια πίεση στην επιφάνειά του η οποία, αν το αντικείμενο δεν είναι ελαφρύτερο από τον αέρα, θα είναι μεγαλύτερη από την πίεση που ασκείται σε αυτό από το νερό, έτσι αρχίζει και βουλιάζει. Όσο πιο βαθιά όμως πάμε στο νερό τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση που ασκείτε από τα “κάτω” μόρια. Άρα για να δούμε που θα σταματήσει να βυθίζεται το αντικείμενο πρέπει να δούμε που θα εξισορροπηθούν οι πιέσεις. Η πίεση που ασκεί το σώμα είναι εύκολο να δούμε ότι είναι ίση με το βάρος του προς την επιφάνειά του. Ακόμα είναι καλό να σημειώσουμε ότι η πίεση που ασκεί το αντικείμενο όταν ισορροπήσει είναι ίση με την πίεση που ασκούσε το υγρό που εκτόπισε.

Ας δούμε, επιτέλους, πότε ένα σώμα θα επιπλεύσει και πότε θα βουλιάξει. Όταν η πυκνότητά του είναι μικρότερη, καθώς βουλιάζει θα φτάσει σε ένα σημείο όπου το νερό που εκτόπισε έχει ίση μάζα με το ίδιο, άρα σε αυτό το σημείο θα ισορροπήσει. Όταν η πυκνότητα του αντικειμένου είναι μεγαλύτερη τότε όσο όγκο νερού και να εκτοπίσει (το μέγιστο που μπορεί είναι ίσο με τον όγκο του) ποτέ δεν θα είναι η μάζα του ίση με τη μάζα του νερού που εκτόπισε, άρα θα βυθίζεται μέχρι να φτάσει τον πάτο της θάλασσας.

Έτσι μπορούμε να δούμε ότι ο αέρας που είπαμε ότι μείωσε την πυκνότητα του μετάλλου στο πλοίο είναι απλά ένα τέχνασμα. Στην πραγματικότητα σημασία έχει η επιφάνεια που καλύπτει το πλοίο μέσα στο νερό. Για αυτό το λόγο τα ποταμόπλοια από κάτω είναι επίπεδα σε αντίθεση με τα πλοία της θάλασσας, οι ποταμοί είναι πιο ρηχοί άρα το πλοίο δεν έχει τη δυνατότητα να βουλιάξει τόσο όσο στη θάλασσα για να εξισορροπηθούν οι πιέσεις.


Πηγή άρθρου: tampouloukia.gr