Plavání je jev, kdy je pevná látka umístěná v kapalině na jejím povrchu. Když se podíváme na loď plovoucí na vodě nebo na kousek plastelíny plovoucí ve vaně, můžeme se divit, proč se tyto předměty nepotopí, ale zůstávají na povrchu kapaliny.
Odpověď na tuto otázku spočívá v pojmu hustota. Hustota je fyzikální veličina, která charakterizuje kvantitativní vlastnosti látky, jmenovitě hmotnost látky, která připadá na jednotku jejího objemu. Pokud má tělo menší hustotu než kapalina, ve které se nachází, plave na povrchu kapaliny.
Hustota těla je nižší než hustota kapaliny
Když je hustota těla menší než hustota kapaliny, začne plavat na povrchu dané kapaliny. Tento jev je vysvětlen archimedovým principem, podle kterého na těleso ponořené do kapaliny nebo plynu působí síla archimedovy podpory, která se rovná hmotnosti vytlačené tělesem kapaliny nebo plynu.
Když je tělo ponořeno do kapaliny s hustotou menší než jeho vlastní hustota, dochází k vytlačení efektivněji než v případě, kdy je hustota těla stejná nebo větší než hustota kapaliny. Výsledkem je, že na tělo působí podpůrná síla směřující nahoru, která kompenzuje jeho vlastní váhu a umožňuje tělu plavat na povrchu tekutiny.
Tento jev je pozorován například při plavání lodí a plastových hraček na vodě. Jak se tělo ponoří do tekutiny, vytěsnění se zvyšuje a zvyšuje se také síla archimédové podpory. Když se tělesná hmotnost a podpůrná síla rovnají, tělo se zastaví v určité hloubce a plave na povrchu kapaliny.
Z tohoto principu vyplývá, že vztlak těla závisí na jeho hustotě a hustotě okolní kapaliny. Čím větší je rozdíl v hustotě mezi tělem a kapalinou, tím větší je podpůrná síla a tím snazší bude tělo plavat na povrchu.
Síla Archimédovy podpůrné síly
Tělo plave na povrchu kapaliny díky působení podpůrné síly Archimedes. Tato síla vzniká v důsledku rozdílu tlaku na horní a spodní povrch těla ponořeného do kapaliny. Archimedova síla směřuje nahoru a rovná se hmotnosti kapaliny, kterou ponořené těleso vytlačuje.
Podle Archimedova zákona se síla podpůrné síly Archimeda rovná hmotnosti vytlačené tělesem kapaliny a působí opačným směrem než gravitace. Právě tato síla umožňuje tělu plavat na povrchu tekutiny.
Pokud je Archimedova síla větší nebo rovna gravitaci těla, tělo se zcela ponoří a plave na povrchu kapaliny. Pokud je Archimédova síla menší než gravitace, tělo se začne potápět.
Síla Archimedes také závisí na hustotě kapaliny a objemu těla. Čím větší je hustota kapaliny a objem těla, tím silnější je síla Archimeda.
| Podmínka | Akce Archimédovy síly |
|---|---|
| Tělo má nižší hustotu než kapalina | Tělo se vynoří na povrch tekutiny |
| Tělo má větší hustotu než kapalina | Tělo se topí v tekutině |
Sílu podpůrné síly Archimedes lze také vypočítat podle vzorce: F = p * v * G, kde F je síla Archimedova, P je hustota kapaliny, V je objem vytlačené kapaliny, g je zrychlení volného pádu.
Tímto způsobem, působením podpůrné síly Archimedes, tělo plave na povrchu kapaliny a může být zcela nebo částečně ponořeno do kapaliny, v závislosti na velikosti této síly a gravitace.
Dochází k interakci molekul tekutiny s molekulami těla
Interakce molekul kapaliny s molekulami těla hraje důležitou roli v procesu plavání. Když se tělo ponoří do tekutiny, molekuly kapaliny začnou interagovat s molekulami těla. Tato interakce se může projevit jako přilnavost a koheze.
Adheze je síla interakce mezi molekulami různých látek, v tomto případě mezi molekulami kapaliny a těla. Adheze se může u různých látek lišit a závisí na jejich chemickém složení a struktuře. Čím silnější je přilnavost mezi molekulami kapaliny a těla, tím pravděpodobnější je, že tělo bude plavat na povrchu kapaliny.
Kohezie je síla interakce mezi molekulami stejné látky, v tomto případě mezi molekulami kapaliny. Kohezie podporuje povrchovou vrstvu tekutiny, která může podporovat tělo na povrchu.
Přítomnost přilnavosti a koheze mezi molekulami kapaliny a molekulami těla tedy umožňuje tělu plavat na povrchu kapaliny. To vysvětluje, proč lehké předměty, jako jsou plastové kuličky nebo balzaminky, mohou plavat na vodě, zatímco těžké předměty, jako jsou kovové kusy, se topí.
Síla přitažlivosti Země se rovná vztlakové síle
Když se tělo ponoří do kapaliny, začne na něj působit přitažlivá síla Země a vztlaková síla. Síla zemské přitažlivosti se snaží snížit těleso dolů a vztlaková síla se ho snaží zvednout na povrch kapaliny.
Pokud je síla přitažlivosti Země větší než vztlaková síla, tělo se utopí a klesne na dno kapaliny. Pokud vztlaková síla překoná gravitační sílu země, tělo bude plavat na povrchu kapaliny.
Vztlaková síla závisí na objemu těla, hustotě kapaliny a hloubce ponoru. Čím větší je objem těla, tím větší je vztlaková síla. Čím menší je hustota kapaliny, tím větší je vztlaková síla. Čím hlouběji je tělo ponořeno do kapaliny, tím menší je vztlaková síla.
Když je přitažlivá síla Země a vztlaková síla stejná, tělo je ve stavu vztlaku. Je na povrchu kapaliny a neklesá na dno, ale ani nevystoupá nahoru.
Je důležité si všimnout, že podmínka rovnosti sil přitažlivosti Země a vztlaku je pouze jedním z důvodů, proč tělo může plavat na povrchu kapaliny. Ve skutečnosti existují další faktory, jako je tvar a povrch těla, které také ovlivňují jeho vztlak.
Povrchové napětí kapaliny umožňuje tělu plavat
Díky povrchovému napětí tak může tělo "ležet" na povrchu kapaliny a plavat na něm. Ale aby k tomu došlo, je nutné, aby adhezní síla mezi povrchem těla a povrchem kapaliny byla větší než síla přitažlivosti těla k zemi. Například při plavání na vodě se hydrofobní materiály, jako je voskový papír nebo mastný hmyz, nemočí a mohou "plavat" na povrchu.
Kromě toho lze povrchové napětí použít pro různé inženýrské a průmyslové účely. Například k vytvoření tenkého filmu na vodní hladině, který lze použít k vytvoření ochranného povlaku nebo pro různé chemické procesy.
Tělo má tvar, který zajišťuje vztlak
Těla, která mají tvar zajišťující vztlak, mají v sobě často dutinu nebo vzduchovou dutinu. Například loď má dutinu naplněnou vzduchem, což jí umožňuje plavat na vodní hladině. Balónky a plastové Bazénové hračky mají také tento tvar.
Když je tělo ponořeno do vody nebo jiné tekutiny, platí Archimedův zákon, podle kterého na tělo působí vztlaková síla rovnající se hmotnosti vytlačené tekutiny. Pokud je tato síla větší nebo rovna hmotnosti těla, bude plavat na povrchu kapaliny.
Tabulka níže ukazuje některé příklady těles s tvarem, který poskytuje vztlak:
| Tělo | Formulář | Princip vztlaku |
|---|---|---|
| Bárka | Dutina se vzduchem | Vzduchová dutina činí průměrnou hustotu těla menší než hustota vody |
| Plastová láhev | Dutina se vzduchem | Vzduchová dutina činí průměrnou hustotu těla menší než hustota kapaliny |
| Tenisový míček | Dutina se vzduchem | Vzduchová dutina činí průměrnou hustotu těla menší než hustota vody |
Tvar těla tedy hraje důležitou roli při zajišťování vztlaku a umožňuje tělu plavat na povrchu tekutiny.
Objem těla je větší než objem vytlačené tekutiny
Když je tělo ponořeno do tekutiny, vytlačuje část tekutiny a zabírá její místo. Pokud je objem těla větší než objem vytlačené tekutiny, začne plavat na povrchu kapaliny.
Tento jev se nazývá plavání na Archimédově principu. Podle tohoto principu působí na tělo síla Archimeda, která se rovná hmotnosti vytlačené tekutiny. Pokud je tato síla větší nebo rovna gravitaci těla, bude plavat na povrchu kapaliny. Pokud je Archimédova síla menší než gravitace, tělo se potopí.
Pokud je tedy objem těla větší než objem vytěsněné tekutiny, pak Archimedova síla bude větší než gravitace a tělo bude plavat na povrchu kapaliny. Příkladem takového těla je loď, která díky svému tvaru a objemu dokáže plavat na vodě.