Siła wyporu – czyli dlaczego worek z kamieniami tonie?

Siła wyporu działa na każde ciało zanurzone w płynie. Jest ona zawsze skierowana przeciwnie do ciężaru ciała. Z czego wynika jej istnienie? Co wpływa na jej wartość? Odpowiedź na te pytania znajdziecie w tym artykule.

Charakterystyka cieczy a siła wyporu

Zacznijmy od wyjaśnienia pojęcia płynu. To, co go odróżnia od ciała stałego, to możliwość przepływu. Jego skutkiem jest na przykład dopasowywanie się do naczynia, w którym go umieścimy. Z tego wynika, że do płynów zaliczamy i ciecze, i gazy. Choć ten podział może się wydawać z pozoru nielogiczny, to jest on skutkiem tego, że w ciałach stałych istnieje regularny układ cząsteczek, które je tworzą, natomiast w cieczach i gazach takiego nie ma. Dlatego opisując je, raczej nie myślimy o ich masie, lecz o gęstości i ciśnieniu. Dla tytułowej siły szczególnie istotna jest ta pierwsza wielkość. Oznaczamy ją grecką literą ρ (rho) i wyrażamy jako stosunek masy do objętości badanego płynu.

Przyjrzyjmy się teraz sile wyporu. Jej istnienie wynika z faktu zmieniającego się ciśnienia wraz z głębokością. Innymi słowy, kiedy zanurzymy w wodzie jakąś rzecz, to u jej dołu ciśnienie będzie wyższe niż u góry, a co za tym idzie, siły działające na dolną część obiektu będą większe. Wartość tej siły jest równa ciężarowi wypartego płynu i możemy ją wyrazić wzorem F = mpg, gdzie mp oznacza masę płynu, a g – przyspieszenie ziemskie. Na ciało umieszczone w płynie działa również siła grawitacji.

Dlaczego niektóre ciała toną?

Wiemy już, jakie siły działają na zanurzone ciała, Co jednak sprawia, że jedne toną, a inne nie? Ponieważ przyspieszenie grawitacyjne jest stałe, a masę możemy wyrazić jako iloczyn gęstości oraz objętości ciała, przy czym wiemy, że objętość wypartego płynu oraz ciała są takie same, sprawa jest prosta. Kluczowa jest tu wcześniej opisywana gęstość. Gdy gęstość ciała jest mniejsza od gęstości płynu, w którym ono się znajdzie, ciało będzie pływało na jego powierzchni. Gdy będzie większa, to siła grawitacji zawsze będzie większa od siły wyporu i w konsekwencji wrzucony obiekt opadnie na dno. Nietrudno się więc domyślić, że w takim razie obiekt upuszczony do płynu, który będzie w niej pływał, to jego gęstość jest równa gęstości tej cieczy. W takim wypadku w miarę zanurzania się go siła wyporu będzie stopniowo rosła, aż w końcu osiągnie wartość równą ciężarowi ciała.

Siła wyporu i powiązane z nią zjawiska

Dzięki znajomości tego oddziaływania możemy konstruować takie środki transportu jak łodzie podwodne, statki, czy kiedyś popularne balony na gorące powietrze. Ciekawa jest zasada działania pierwszego z nich. Jak to się dzieje, że najpierw może się ona zanurzać, a potem utrzymywać na stałym poziomie wody? Każda łódź podwodna ma zbiorniki balastowe. Kiedy są zalewane wodą, średnia gęstość łodzi wzrasta, co powoduje, że ciężar maszyny zaczyna przeważać siłę wyporu. Gdy chcemy się wynurzyć, z pomocą przychodzi tu sprężone powietrze, które będąc wtłaczane do zbiornika balastowego, wypycha zgromadzoną w nim wodę. Jak można się już domyślić, zmniejsza to gęstość pojazdu, a co za tym idzie, jego zanurzenie.

Jeżeli chodzi o drewniane łódki, tu sprawa jest prosta, gdyż drewno ma mniejszą gęstość od wody. A co z kolei sprawia, że wielkie statki nie toną, skoro są wykonane ze stali, a ta jest 8 razy gęstsza od wody? Wyjaśnienie leży w tym, iż to nie jest tylko metalowy „klocek”, lecz składa się na niego także powietrze go wypełniające. W rezultacie całkowita gęstość tego środka transportu jest na tyle niewielka, że jest tylko częściowo zanurzony w płynie.

Z siłą wyporu związane jest także pojęcie ciężaru pozornego. Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego osobom otyłym bądź z problemami z kręgosłupem polecane są ćwiczenia w wodzie? To też wyjaśniają prawa fizyki. Ciężar pozorny odczuwamy, będąc zanurzonymi w jakimś płynie, a jest on różnicą rzeczywistego ciężaru ciała oraz wartości siły wyporu. Nic dziwnego zatem, że w wodzie czujemy się lżejsi. Znajomość tego prawa została także wykorzystana w przemyśle kosmicznym, gdyż astronauci ćwiczą trudne operacje, które mieliby wykonać w stanie nieważkości, będąc całkowicie zanurzonymi w wodzie, gdyż wtedy ich pozorny ciężar jest równy zeru.

Siła wyporu w naturze

A jak siłę wyporu wykorzystuje natura? Kormorany wykształciły bardzo ciekawe przystosowanie do nurkowania. Ich lekkie pióra w wodzie bardzo namakają, co zwiększa ich ciężar i ułatwia pokonanie siły wyporu. Z kolei ptaki, które unoszą się na wodzie, tak jak kaczki czy łabędzie, posiadają gruczoł kuprowy. Narząd ten wytwarza tłustą substancję, którą następnie zwierzęta rozprowadzają po piórach. Tu skutek jest odwrotny – ich skrzydła nie mokną, więc pozostają wciąż lekkie i ptak może wciąż unosić się na tafli zbiornika.