Jak różnice w ciśnieniu płynu powodują wyporność?

Wszystkie płyny są płynami, ale co ciekawe, nie wszystkie płyny są płynami. Wszystko, co może płynąć – na przykład gaz – jest płynem i może wytworzyć siłę wyporu. Wyporność powstaje, gdy obszary o wyższym ciśnieniu pod obiektem wywierają siłę w górę w kierunku obszarów o niższym ciśnieniu. Wielkość siły wyporu wywieranej przez płyn jest jednak określona przez objętość obiektu i zgodnie z zasadą Archimedesa.

Zanim zrozumiesz, w jaki sposób różnice w ciśnieniu płynu mogą wpływać na wyporność, musisz najpierw zrozumieć, jak ciśnienie zachowuje się w płynach. Zasada Pascala mówi, że kiedy ciśnienie zmienia się w dowolnym miejscu w zamkniętym systemie, ta zmiana ciśnienia będzie odczuwana w równym stopniu w każdym punkcie tego systemu i we wszystkich kierunkach. Ta zasada pozwala funkcjonować układom hydraulicznym. Wskazuje również, że w płynie, w którym nie ma żadnych dodatkowych czynników wpływających na ciśnienie, ciśnienie pozostanie stałe i równomierne. Jednak na Ziemi zazwyczaj istnieje co najmniej jedna inna siła, która powoduje zmianę ciśnienia płynu, a siłą tą jest grawitacja.

Grawitacja ściąga w dół wszystko, co ma masę. Dlatego, gdy grawitacja ciągnie w dół ciało z płynem, ciężar płynu w górnych partiach ciała nakładają się na płyn w dolnych partiach, tworząc stopień rosnącego ciśnienia, gdy poruszasz się w dół w tym płyn. Na przykład, jeśli zanurkujesz głęboko w jeziorze, poczujesz rosnące ciśnienie w uszach – a być może nawet na ciele – im głębiej zanurkujesz. Jeśli przestaniesz płynąć w dół, wyższe ciśnienie pod tobą popchnie cię z powrotem w kierunku obszaru o niższym ciśnieniu. W ten sposób grawitacja stworzyła dynamikę ciśnienia, która dyktuje, że pod zanurzonym obiektem zawsze będzie większe ciśnienie niż nad nim.

Grecki filozof i matematyk Archimedes posunął to rozumienie presji o krok dalej i nadał sens dlaczego płyn przykłada pewną siłę skierowaną w górę do obiektu i powoduje, że albo unosi się i unosi, albo pozwala mu tonąć. Ustalił, że siła skierowana do góry była równa ciężarowi wody wypartej przez zanurzony obiekt. Na przykład woda waży jeden gram na centymetr sześcienny. Jeśli zanurzysz kulkę o objętości 25 centymetrów sześciennych, wyparujesz 25 gramów wody. Dlatego wynikowa siła wyporu na tej kuli wyniesie 25 niutonów (niutony to jednostki mierzące siłę). Ta siła wyporu jest jednak zawsze oparta na masie przemieszczanej wody, a nie na masie obiektu.

Gęstość jest ostatecznie czynnikiem decydującym o tym, czy obiekt będzie unosił się, tonął, czy też utrzyma neutralną pływalność w płynie. Na przykład, jeśli ta 25-centymetrowa kula jest pusta i wypełniona powietrzem, będzie lżejsza niż 25 gramów wody, którą wyparła, i będzie unosić się na wodzie. Jeśli kula jest wykonana z gęstszego materiału, takiego jak żelazo, może być znacznie cięższa i szybko opada na dno akwenu. Jeśli jednak zanurzysz kulę ważącą dokładnie 25 gramów, siła wyporu nie wypchnie jej na powierzchnię, ale po prostu zapobiegnie jej zatonięciu. Ta kula pozostanie neutralnie unosząca się w ciele płynu, dopóki nie zadziała na nią siła zewnętrzna.