Όταν ήμουν μικρός μου φαινόταν απίστευτο πως ένα γιγάντιο πλοίο φορτωμένο με ανθρώπους, οχήματα και εμπόρευμα μπορούσε να επιπλέει στη θάλασσα, ενώ ακόμα και η πιο μικρή πέτρα που πετούσα στο νερό βυθιζόταν κατευθείαν. Από την άλλη, υπήρχαν ορισμένα αντικείμενα τα οποία αντιστεκόταν σθεναρά στις προσπάθειες μου να τα βυθίσω (ο αδερφός μου για παράδειγμα), περιπλέκοντας την κατάσταση στο μυαλό μου ακόμα περισσότερο. Αργότερα βέβαια έμαθα πως όλα αυτά είναι αποτέλεσμα μιας δύναμης που ασκεί το νερό στα αντικείμενα, την οποία ονομάσαμε άνωση.

Την άνωση την μελέτησε πρώτος ο Αρχιμήδης, πριν από περίπου 2000 χρόνια. Η ιστορία λέγεται πως πήγε κάπως έτσι: Ο βασιλιάς των Συρακουσών Ιέρων ο Α’ υποπτευόμενος πως η κορώνα που παρήγγειλε δεν αποτελούταν από καθαρό χρυσάφι, ανέθεσε στον Αρχιμήδη να εξακριβώσει αν η κορώνα, εκτός από χρυσό, περιείχε και κάποιο άλλο υλικό.

Δεν είμαστε σίγουροι με ποιον ακριβώς τρόπο o Αρχιμήδης απέδειξε πως το στέμμα δεν αποτελείται από ατόφιο χρυσό, αλλά μπορούμε να ακολουθήσουμε τον τρόπο σκέψης του. Ο Αρχιμήδης συνειδητοποίησε δύο πράγματα:

1) Όταν ένα αντικείμενο βυθίζεται στο νερό, μια ποσότητα νερού πρέπει να κάνει στην άκρη για να δημιουργήσει χώρο για το αντικείμενο. Αυτή η ποσότητα νερού ονομάζεται εκτόπισμα. Ο όγκος του εκτοπισμένου νερού είναι ακριβώς ο ίδιος με τον όγκο του βυθισμένου αντικειμένου.

2) Οτιδήποτε βρίσκεται μέσα στο νερό δέχεται μία δύναμη από αυτό, την λεγόμενη άνωση, η οποία είναι ίση με το βάρος του νερού που εκτοπίζει το βυθισμένο αντικείμενο. Η άνωση έχει πάντοτε φορά προς τα πάνω και οφείλεται στο γεγονός ότι το κάτω μέρος του αντικειμένου δέχεται περισσότερη πίεση από το πάνω μέρος. Γιατί συμβαίνει αυτό; Γιατί όσο πιο πολύ βυθίζεσαι στο νερό τόσο περισσότερο νερό βρίσκεται από πάνω σου. Με απλά λόγια η πίεση αυξάνεται όσο αυξάνεται το βάθος.

Ο Αρχιμήδης λοιπόν θα μπορούσε να είχε κάνει το εξής πείραμα: Επειδή ήταν αδύνατο να μετρήσει κατευθείαν τον όγκο της κορώνας, λόγω του περίπλοκου σχήματός της, έφτιαξε ένα αντικείμενο από χρυσάφι με την ίδια ακριβώς μάζα με την κορώνα. Αν ο όγκος του αντικείμενου που έφτιαξε αποδεικνυόταν ίσος με τον όγκο της κορώνας, τότε η κορώνα θα αποτελούταν όντως από ατόφιο χρυσό. Αν όμως ο όγκος του αντικειμένου ήταν μικρότερος από τον όγκο της κορώνας αυτό θα σήμαινε πως η κορώνα δεν αποτελούταν μόνο από χρυσό αλλά και από κάποιο άλλο, ελαφρύτερο υλικό. 1

Η πυκνότητα ενός αντικειμένου εκφράζει το πόση μάζα περιέχεται σε ένα συγκεκριμένο όγκο του αντικειμένου.

Για παράδειγμα, η πυκνότητα του χρυσού είναι 19 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό (g/cm3) και είναι αρκετά μεγαλύτερη από τα υπόλοιπα πολύτιμα μέταλλα εκείνης της εποχής. Αν δύο αντικείμενα, το ένα από χρυσό και το άλλο από χαλκό, έχουν την ίδια μάζα, το χάλκινο αντικείμενο θα είναι αρκετά πιο ογκώδες λόγω της χαμηλότερης πυκνότητάς του.

Αν ο Αρχιμήδης βούτηξε όλο αυτό το σύστημα με τη ζυγαριά, την κορώνα και το αντικείμενο χρυσού μέσα στο νερό, η ζυγαριά θα έγειρε προς το μέρος του χρυσού αντικειμένου. Έτσι θα μπορούσε να καταλάβει πως ο όγκος της κορώνας ήταν μεγαλύτερος αφού δεχόταν μεγαλύτερη άνωση ως αποτέλεσμα της μεγαλύτερης ποσότητας νερού που εκτόπιζε. Θυμήσου πως η άνωση είναι ίση με το βάρος του εκτοπισμένου νερού, ο όγκος του οποίου είναι ίσος με τον όγκο του βυθισμένου αντικειμένου.

Για να επιπλέει ένα πλοίο, αλλά και ένα οποιοδήποτε αντικείμενο, πρέπει να εκτοπίζει τη μάζα του σε νερό. Δηλαδή ένα πλοίο χιλίων κιλών πρέπει να εκτοπίζει τουλάχιστον 1000 κιλά νερού. Αν εκτοπίζει 2000 κιλά τότε θα επιπλέει στο νερό με άνεση, αν εκτοπίζει ακριβώς 1000 κιλά τότε ίσα που θα επιπλέει κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας. Αν εκτοπίζει λιγότερα από 1000 κιλά…ας πούμε πως δεν θα ταξιδέψει πολύ μακριά.

Το ατσάλι, το οποίο είναι και ένα βασικό υλικό στην κατασκευή των πλοίων, έχει πυκνότητα περίπου 8 g/cm3 που το κάνει 8 φορές πιο πυκνό από το νερό. Αυτό σημαίνει πως ένας τόνος ατσάλι εκτοπίζει μόλις το 1/8 της μάζας του σε νερό, ποσότητα πολύ μικρότερη από αυτή που χρειάζεται για να επιπλεύσει. Άρα ένα αντικείμενο που επιπλέει δεν μπορεί ποτέ να έχει πυκνότητα μεγαλύτερη από το νερό.

Πως γίνεται τότε ένα πλοίο φτιαγμένο από ατσάλι να επιπλέει; Αυτό συμβαίνει γιατί το πλοίο δεν είναι ένα κατασκεύασμα από ατόφιο ατσάλι. Στο εσωτερικό του υπάρχει μπόλικος αέρας που μειώνει τη μέση πυκνότητά του, κάνοντας τη τελικά μικρότερη από του νερού. Τα πλοία είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε να εκτοπίζουν τη μάζα τους σε νερό προτού βυθιστούν ολοκληρωτικά.

Μπορούμε να ελέγξουμε τη μέση πυκνότητα του πλοίου παίζοντας με τον όγκο και τη μάζα του. Αν μειώσουμε πάρα πολύ τον όγκο τότε η μέση πυκνότητά του θα γίνει μεγαλύτερη από του νερού και το πλοίο θα βυθιστεί. Αν προσθέσουμε φορτίο στο πλοίο, δηλαδή αυξήσουμε τη μάζα του, αυτομάτως αυξάνουμε και τη μέση πυκνότητα του. Αν το παρακάνουμε, το πλοίο θα βυθιστεί. Άρα γενικά, όπως θα έχετε ήδη παρατηρήσει, όσο πιο μεγάλο είναι ένα πλοίο τόσο μεγαλύτερο φορτίο μπορεί να μεταφέρει.

Η αρχή του Αρχιμήδη ισχύει για οποιοδήποτε ρευστό. Τα ίδια ακριβώς πράγματα που ισχύουν για το νερό ισχύουν και για τον αέρα, επιτρέποντας σε αντικείμενα όπως τα μπαλόνια ηλίου, τα αερόπλοια (γνωστά και ως ζέπελιν) και τα αερόστατα να «επιπλέουν» στον αέρα…κοινώς, να αιωρούνται.

Ένα κλασικό πείραμα που μπορείς να κάνεις με τις πυκνότητες των υλικών, είναι να ρίξεις σε ένα ποτήρι σιρόπι, νερό, λάδι και οινόπνευμα. Το αποτέλεσμα που θα πάρεις θα είναι κάτι τέτοιο:

Τώρα πια θα πρέπει να καταλαβαίνεις γιατί!

Δείτε το σχετικό βίντεο

Πηγή: kathimerinifysiki.gr


SHARE