Warunek pływania ciał

Gdy wrzucamy ciało do cieczy, może ono pływać po powierzchni, tonąć albo unosić się w jej wnętrzu. To, co się stanie, zależy głównie od dwóch rzeczy: ciężaru ciała i siły wyporu działającej ku górze.

Na każde ciało zanurzone w cieczy działa siła skierowana pionowo w górę. To właśnie siła wyporu. Jednocześnie na ciało działa ciężar, czyli siła skierowana pionowo w dół. Porównanie tych sił pozwala opisać zachowanie ciała.

Jeśli ciało ma odpowiednie warunki, może utrzymać się na powierzchni albo w środku cieczy. Jeśli warunki nie są spełnione, opada na dno.

Prawo Archimedesa mówi, że na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu równa ciężarowi wypartej cieczy. Oznacza to, że ciecz jakby „odpowiada” na obecność ciała i wypycha je do góry.

Im większa objętość zanurzonej części ciała, tym więcej cieczy zostaje wyparte. Wtedy siła wyporu może być większa. Dlatego szerokie i puste w środku statki mogą pływać, mimo że są zrobione z metalu.

W praktyce nie trzeba zawsze liczyć siły wyporu. Często wystarczy rozumieć, że większe zanurzenie oznacza większą objętość wypartej cieczy, a więc większy wypór.

Ciało pływa po powierzchni cieczy, gdy jego średnia gęstość jest mniejsza niż gęstość cieczy. Wtedy ciało zanurza się tylko częściowo, a siła wyporu równoważy jego ciężar.

Ciało tonie, gdy jego gęstość jest większa od gęstości cieczy. W takiej sytuacji nawet po całkowitym zanurzeniu siła wyporu jest za mała, by zrównoważyć ciężar ciała.

Ciało unosi się w cieczy, gdy jest całe zanurzone, ale nie opada ani nie wypływa. Dzieje się tak wtedy, gdy gęstość ciała jest równa gęstości cieczy.

Można to też opisać siłami:

• gdy siła wyporu jest większa od ciężaru, ciało przemieszcza się ku górze,
• gdy siła wyporu jest mniejsza od ciężaru, ciało opada,
• gdy siła wyporu jest równa ciężarowi, ciało jest w równowadze.

Gęstość mówi, jaka masa przypada na daną objętość. Obliczamy ją ze wzoru $d = \frac{m}{V}$. Jednostką gęstości jest na przykład $\frac{kg}{m^3}$ lub $\frac{g}{cm^3}$.

W warunku pływania najważniejsze jest porównanie gęstości ciała z gęstością cieczy:

• jeśli gęstość ciała jest mniejsza, ciało pływa,
• jeśli gęstość ciała jest większa, ciało tonie,
• jeśli gęstości są równe, ciało unosi się w cieczy.

Bardzo ważne jest pojęcie średniej gęstości ciała. Nie zawsze liczy się tylko materiał, z którego zrobione jest ciało. Jeśli w środku jest dużo powietrza, średnia gęstość całego przedmiotu może być mała.

Drewno zwykle pływa w wodzie, bo ma mniejszą gęstość niż woda. Kamień zazwyczaj tonie, bo jego gęstość jest większa. Statek stalowy pływa, ponieważ ma odpowiedni kształt i dużo pustej przestrzeni w środku, więc jego średnia gęstość jest mniejsza od gęstości wody.

W bardzo słonej wodzie człowiekowi łatwiej się utrzymać na powierzchni niż w zwykłej wodzie. Taka ciecz ma większą gęstość, więc siła wyporu może być większa.

W zadaniach o pływaniu ciał najpierw sprawdź, czy trzeba porównać siłę wyporu z ciężarem, czy może łatwiej porównać gęstość ciała z gęstością cieczy. To najprostsza droga do poprawnej odpowiedzi.

Pamiętaj też o typowych błędach:

• nie każde ciało zanurzone w wodzie tonie,
• duża masa nie oznacza od razu tonięcia — liczy się także objętość,
• ciało unoszące się w cieczy nie musi wystawać nad powierzchnię,
• materiał i całe ciało to nie zawsze to samo: ważna jest średnia gęstość całego przedmiotu.

Jeśli dobrze rozumiesz zależność między gęstością, siłą wyporu i ciężarem, potrafisz wyjaśnić większość przykładów z życia: dlaczego pływa korek, tonie moneta i jak działa statek.