איך הבדלים בלחץ הנוזל יוצרים ציפה?

כל הנוזלים הם נוזלים, אך מעניין שלא כל הנוזלים הם נוזלים. כל מה שיכול לזרום - כמו גז - הוא נוזל, ויכול ליצור כוח צף. ציפה נגרמת כאשר אזורים של לחץ גבוה יותר מתחת לאובייקט מפעילים כוח כלפי מעלה לעבר אזורים של לחץ נמוך יותר. כמות הכוח הצוף שמפעיל נוזל, לעומת זאת, נקבעת על ידי נפח האובייקט ועל פי עקרון ארכימדס.

לפני שתוכל להבין כיצד הבדלים בלחץ הנוזל יכולים להשפיע על הציפה, עליך להבין תחילה כיצד לחץ מתנהג בנוזלים. העיקרון של פסקל קובע שכאשר משתנים לחץ בכל מקום במערכת סגורה, שינוי הלחץ יורגש באותה מידה בכל נקודה בתוך אותה מערכת ולכל הכיוונים. עיקרון זה הוא המאפשר לתפקוד של מערכות הידראוליות. זה גם מכתיב שבתוך גוף נוזלים שאין גורמים נוספים המשפיעים על הלחץ, הלחץ יישאר קבוע ואחיד. אולם בכדור הארץ יש לפחות כוח אחד נוסף הגורם לשונות בלחץ הנוזל, וכוח זה הוא כוח הכבידה.

כוח המשיכה מושך כלפי מטה על כל מה שיש לו מסה. לכן, כאשר כוח המשיכה מושך כלפי מטה על גוף נוזל, משקל הנוזל בחלקים העליונים של הגוף נערמים על הנוזל בחלקים התחתונים ויוצרים דרגת לחץ גובר תוך כדי תנועה כלפי מטה בתוך זה נוֹזֵל. לדוגמא, אם אתה צולל עמוק לתוך אגם, תרגיש לחץ הולך וגובר באוזניים שלך - ואולי אפילו נגד גופך - ככל שאתה צולל עמוק יותר. אם תפסיק לשחות כלפי מטה, הלחץ הגבוה מתחתיך ידחוף אותך חזרה לכיוון אזור הלחץ התחתון. באופן זה כוח המשיכה יצר דינמיקת לחץ שמכתיבה שתמיד יהיה לחץ גדול יותר מתחת לאובייקט שקוע מאשר מעליו.

הפילוסוף והמתמטיקאי היווני ארכימדס לקח את הבנת הלחץ הזו צעד אחד קדימה, והיה הגיוני מדוע נוזל מפעיל כמות מסוימת של כוח כלפי מעלה על האובייקט וגורם לו לעלות ולצוף או מאפשר לו כִּיוֹר. הוא קבע שהכוח כלפי מעלה שווה למשקל המים שנעקרו על ידי האובייקט השקוע. למשל, מים שוקלים גרם אחד לסנטימטר מעוקב. אם תשקע כדור בנפח 25 סנטימטרים מעוקבים, תזיז עקירה של 25 גרם מים. לכן, הכוח הצף המתקבל בכדור זה יהיה 25 ניוטון (ניוטונים הם יחידות המודדות כוח). כוח ציפה זה מבוסס תמיד על מסת המים העקורים, לעומת זאת, ולא על המסה של האובייקט.

צפיפות היא בסופו של דבר הגורם הקובע אם אובייקט יצוף, ישקע או יישאר צף נייטרלי בנוזל. לדוגמא, אם אותו כדור של 25 ס"מ מעוקב הוא חלול ומלא באוויר, הוא יהיה קל יותר מ- 25 גרם המים שעקרו, ויצוף. אם הכדור עשוי מחומר צפוף יותר, כגון ברזל, הוא עשוי להיות כבד הרבה יותר ולשקוע במהירות לקרקעית גוף המים. אם אתה טובל כדור שמשקלו 25 גרם בדיוק, עם זאת, הכוח הצף לא יניע אותו אל פני השטח, אלא פשוט ימנע ממנו לשקוע. כדור זה יישאר צף נייטרלי בגוף הנוזל עד שיפעל על ידי כוח חיצוני.