למה ספינה לא שוקעת?

למה ספינה לא שוקעת?
כמה אהבתם?

למה אוניות צפות?

אתם לא יכולים ללכת על המים (למעט ישו…) –  אתם כבדים מדי וסביר שתטבעו כמו אבן.

אבל, נושאת מטוסים יכולה לצוף, למרות שהיא באורך של מעל 300 מ’ (1000ft) לאורך זמן, ולפחות פי מיליון פעמים כבדה מכם, ונושאת כ-70 מטוסים ו-4000 מלחים.

ספינות, סירות ואוניות הם דוגמה מבריקה של איך המדע ישים בכדי לפתור בעיה פשוטה. מעל שני שלישים של פני השטח של כדור הארץ מכוסים במים. איך בדיוק הספינות עושות את הדברים שלהן? בואו נביט מקרוב!

מהן סירות?

זו לא שאלה טיפשית, ספינה או סירה (אנו נקרא להן סירות מעתה והלאה) היא כלי רכב שיכול לצוף ולנוע על האוקיינוס, נהר, או מקום מימי אחר, באמצעות כוח עצמאי משלה או באמצעות כוח חיצוני (רוח, גלים או שמש). רוב הסירות לנוע כשחלק מגופן מעל המים אבל כמה (בעיקר רחפת) מתרוממות מעליהן  בעוד שצוללות נעות לגמרי מתחתיהם. זה נשמע כמו הבדל פדנטי למדי, אבל הם הופכים להיות חשובים מאוד – כפי שנראה בעוד רגע.

למה סירות צפות?

כל הסירות יכולות לצוף, אך לצוף יש טיפה מורכב יותר ומבלבל יותר מכפי שזה נשמע , לכן מומלץ ביותר להתחיל באמצעות קונספט מדעי הנקרא ציפה, שהוא הכוח הגורם לריחוף.

כל חפץ יכול לצוף או לשקוע במים בהתאם לצפיפות שלו (כמה נפח שלו שוקל). אם הוא צפוף יותר מאשר מים, הוא בדרך כלל ישקע, אם זה פחות צפוף. הוא יצוף זה לא משנה כמה גדול או קטן האובייקט הוא.

טבעת זהב תטבע במים, בעוד שפיסת פלסטיק גדול כמו מגרש כדורגל תצוף. הכלל הבסיסי הוא שעצם ישקע אם הוא שוקל יותר מאותו נפח מים בדיוק. אבל זה לא באמת מסביר מדוע נושאת מטוסים (עשוי מתכת צפופה) יכול לצוף, אז בואו נחקור קצת יותר.

ציפה חיוביות שלישי וניטרלית

הדרך הקלה ביותר להבין ציפה היא לחשוב על צוללת. יש לה  משטחי צלילה  ומיכלים בהן הן יכולות למלא מים או אוויר כדי שיוכלו  לעלות או לרדת לפי הצורך. אם המיכלים שלה מלאים לחלוטין באוויר, היא אמורה להיות עם ציפה חיובית,  המיכלים שוקלים פחות מנפח שווה של מים ומאפשרים לצוללת לצוף על פני השטח.

אם המכלים היו מלאים באופן חלקי באוויר, זה היה מאפשר חצוללת לצוף בעומק מסוים של המים בלי להתרומם או לשקוע.  זה נקרא ציפה נייטרלית. האפשרות השנייה היא למלא את המיכלים לחלוטין עם מים. במקרה זה, הצוללת היא בציפה שלילית, מה שאומר שהיא שוקעת אל קרקעית הים.

ציפה על פני הים

רוב הסירות לא פועלות באותה צורה כמו צוללות, הן לא טובעות, אבל הן גם לא בדיוק צפות. סירה צפה בחלקה ושוקעת באופן חלקי בהתאם למשקל שלה ולכמות המשקל שהיא נושאת; ככל שהמשקלים האלה גדולים יותר, כך היא שקועה במים. יש משקל מקסימלי שאותו הספינה יכולה לשאת, מבלי לשקוע במים אם היא תיקח יותר היא תטבע לגמרי. לכן צריך לדעת כמה משקל ניתן לשים עליה מבלי להגיע למקום קרוב לנקודה זו.

אז איך נוכל להבין מה היא הנקודה הקריטית הזו?

עקרון ארכימדס

האדם שהצליח לראשונה בתשובה היה המתמטיקאי היווני ארכימדס, במאה השלישית לפני הספירה. על פי האגדה הפופולרית, הוא קיבל את העבודה של לגלות אם כתר שנוצר למלך היה זהב מוצק או זיוף זול עשוי בחלקו מתערובת של זהב וכסף. גרסה אחת של הסיפור אומרת שהוא התקלח והבחין איך רמת המים עלתה בזמן שהוא הטביל את גופו. הוא הבין שאם הוא מניח כתר זהב בתוך אמבטיה, הוא למעשה דוחף או “מבטל” את הנםח שלו בדיוק מחוץ למים, זו נותן לו דרך יעילה וקלה למדוד את הנפח של עצם מורכב מאוד.

על ידי שקילת הכתר, הוא יכול למצוא בקלות את הצפיפות שלו (המסה שלו מחולקת על ידי הנפח שלו) ולהשוות אותו עם זה של זהב. אם הצפיפות היתה נמוכה מזו של זהב, הכתר היה מזויף בבירור. גרסאות אחרות של הסיפור מספרות זאת בצורה שונה מעט  ויש אנשים רבים שחושבים שכל הסיפור הוא כנראה מומצא בכל מקרה!

מאוחר יותר, הוא המציא את החוק המפורסם של הפיזיקה הידוע כעת כעקרון ארכימדס: כאשר משהו נח או צף על המים, החפץ מרגיש כוח כלפי מעלה   שווה למשקל של המים שהוא דוחף הצידה . אם עצם הוא שקוע לחלוטין, כוח הציפה, דוחף אותו כלפי מעלה, ומפחית את למעשה משקלו. לכן החפץ  שוקל פחות כאשר הוא מתחת למים ממה שהוא היה על אדמה יבשה.

זו הסיבה שמשהו  מרגיש קל יותר כאשר אתה מרים אותו מתחת למים מאשר כאשר אתה מביא אותו אל פני השטח ומרים אותו באוויר: מתחת למים, אתה מקבל עזרה מכח הציפה.

כל זה מסביר מדוע המשקל של הספינה (והתוכן שלה) נקרא בדרך כלל ה”עודף”, אם האוקיינוס היה קערה של מים מלאה עד למעלה, העודף של הסירה  הוא המשקל של מים שישפכו על הקצה כאשר הספינה תושק. מכיוון שמים מתוקים צפופים פחות מאשר מלוחים, הספינה  תשב נמוך יותר בנהר (או בשפך – שיש בו תערובת של מים מתוקים ומים מלוחים) מאשר בים.

דחיפה כלפי מעלה – Upthrust

למרבה הצער, שום דבר מזה לא באמת מסביר מדוע נושאת מטוסים צפה? אז למה זה קןרה ומהיכן מגיע כוח הדחיפה כלפי מעלה? נושאת מטוסים תופסת נפח עצום כך שמשקלה מתפשט על פני שטח רחב של אוקיינוס. מים הם נוזל צפוף למדי, והם כמעט בלתי אפשריים לדחיסה. הצפיפות הגבוהה שלהם (ולכן משקל כבד) פירושו שהם יכולים להפעיל הרבה לחץ: הם דוחפים החוצה בכל כיוון (משהו שאתה יכול בקלות להרגיש בשחייה מתחת למים, ובמיוחד בצלילה). כאשר נושאת מטוסים מונחת על המים, שקועה בחלקה, לחץ המים מאוזן בכל כיוון, למעט כלפי מעלה; במילים אחרות, קיים כוח נטו (הנקרא upthrust) התומך בסירה מלמטה. הספינה שוקעת לתוך המים, מושכת למטה במשקלה ונדחפת למעלה ע”י הupthrust. כמה נמוך הספינה שוקעת? ככל שהיא שוקלת (כולל את המשקל שהיא נושאת), החלק התחתון שוקע.

אם הסירה שוקלת פחות מנפח המים המקסימלי שהיא יכול אי פעם ל”דחוף הצידה”, היא צפה. אבל הוא שוקעת במים עד שמשקלה והupthrust בדיוק מתאזן

הוסיפו תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *