چگونه یک قایق فلزی شناور می ماند، اما یک میله آهنی غرق می شود؟

چندی پیش در یک میهمانی با سوالی مواجه شدم که بد ندیدم پاسخ آن را با همه دوستان در میان بگذارم. زیرا ممکن است شما هم با چنین پرسشی روبرو شده باشید، یا اینکه چنین مساله ای ذهن تان را به خود مشغول کرده باشد. پس چه بهتر که یک جواب شسته رفته و مدون دم دست داشته باشیم :)

کد خبر: ۲۴۷۳۴

تاریخ: ۱۱ تير ۱۳۹۲ - ۰۸:۳۴

سوال: چرا یک کشتی فلزی که از آن همه فلز سنگین ساخته شده و چندهزار تن بار را هم حمل می کند در آب فرو نمی رود و غرق نمی شود، اما یک ورق یا میله آهنی سریعا در آب فرو رفته و ناپدید می گردد؟

پاسخ ساده به این سوال شناوری است.

اما در ادامه مطلب با ما همراه باشید تا بیشتر و کاملتر به این موضوع بپردازیم

اولین تعریف استاندارد شناوری در تاریخ توسط ارشمیدس ثبت شده است و چیزی مانند این است: هر شیئ که در مایعی فرو می رود نیرویی متقابل را تجربه می کند که برابر با وزن مایعی است که توسط آن شیئ جابجا شده است .

پس اگر یک قایق ۱۰۰۰ کیلوگرم (یا پوند)‌ وزن داشته باشد، تا جایی در آب فرو می رود که ۱۰۰۰ کیلوگرم (یا پوند)‌ آب را جابجا کند. در صورتی که قبل از اینکه همه چیز زیر آب فرو برود، قایق بتواند ۱۰۰۰ کیلوگرم آب را جابجا کند، آنگاه می تواند شناور شده و دیگر غرق نخواهد شد.

و انجام این کار چندان سخت نیست که قایق را به گونه ای شکل دهیم که قبل از آنکه زیر آب فرو رود، وزن آن مقدار کافی آب را جابجا کرده باشد. و دلیل سادگی انجام این کار، آن است که بخش عمده ای از فضای داخلی هر قایق را هوا پر کرده است. درست برعکس یک مکعب فولادی که تمام آن با آهن جامد پر شده است.

لذا چگالی متوسط (تراکم) قایق (آمیزه ای از هوا و فولاد) در مقایسه با چگالی متوسط آب جابجا شده بسیار کمتر است. پس به ازای جابجایی آب هم وزن قایق، در حقیقت تنها بخش بسیار کوچکی از قایق در آب فرو می رود. و نکته جالب اینجا است که در کشتی های عظیم الجثه می توان اتاقک های فراوانی برای حبس هوای معمولی تعبیه کرد.

و سوال بعدی که باید به آن پاسخ دهیم، داستان شناوری است. چگونه مولکول های آب می فهمند که ۱۰۰۰ کیلوگرم از آنها جابجا شده اند؟ این بدان دلیل است که رفتار حقیقی شناوری در تقابل با فشار بروز می یابد و با وزن سر و کاری ندارد.

اگر ستونی از آب با سطح مقطع یک سانتی متر مربع و ارتفاع یک متر داشته باشیم، بسته به دمای آب، تقریبا ۱۰۰ گرم وزن خواهد داشت. یعنی اینکه ستون آب یک متری ما فشاری ۹۸۰۰ پاسکالی (Pa) یا ۱۰۰ گرم بر سانتیمتر مربع را وارد می آورد.

اگر شما فشارسنجی را به جعبه فرضی با ابعاد گفته شده بسته و آن را در آب غوطه ور سازید (همانند تصویر بالا)، آنگاه می توانید فشار آب را در عمقی که جعبه قرار دارد مشخص کنید:

اگر جعبه را یک متر در آب فرو ببرید، فشار سنج عدد ۹۸۰۰ پاسکال را نشان خواهد داد. یعنی اینکه در آن وضعیت سطح پایین جعبه شما تحت نیروی رو به بالایی قرار دارد که با فشار ۹۸۰۰ پاسکال آن را به بیرون می راند.

حال اگر جعبه شما سطح مقطع یک متری داشته باشد و یک متر در آب فرو رود، با فشار ۹۸۰۰۰۰۰۰ پاسکالی (۹۸۰۰ نیوتن ) رو به بالا از سوی آب مواجه می شود. (۱۰۰سانتی متر در ۱۰۰ سانتی متر در ۹۸۰۰ پاسکال). این دقیقا برابر با وزن یک متر مکعب آبی است که با ورود جعبه جابجا شده است.

و همین فشار رو به بالای آب به ته قایق است که باعث شناور ماندن آن می گردد. هر سانتی متر مربع از بدنه قایق که در زیر آب قرار گرفته، با فشاری مواجه است که آن را به بالا می راند. و ترکیب این فشارها باعث شناوری قایق شده و مانع غرق شدن آن می شود.