Ako rozdiely v tlaku kvapaliny vytvárajú vztlak?

Všetky kvapaliny sú kvapaliny, ale zaujímavé je, že nie všetky kvapaliny sú kvapaliny. Všetko, čo môže prúdiť - napríklad plyn - je tekutina a môže vytvárať vztlakovú silu. Vztlak je spôsobený, keď oblasti s vyšším tlakom pod predmetom vyvíjajú silu smerom hore k oblastiam s nižším tlakom. Množstvo vznášajúcej sa sily, ktorú kvapalina vyvíja, je však určené objemom objektu a podľa Archimedovho princípu.

Skôr ako pochopíte, ako môžu rozdiely v tlaku kvapaliny ovplyvniť vztlak, musíte najskôr pochopiť, ako sa tlak správa v tekutinách. Pascalov princíp hovorí, že keď sa tlak mení v ktoromkoľvek mieste uzavretého systému, táto zmena tlaku sa bude cítiť rovnako v každom bode tohto systému a vo všetkých smeroch. Tento princíp umožňuje fungovanie hydraulických systémov. Tiež určuje, že v tele tekutiny, kde neexistujú žiadne ďalšie faktory ovplyvňujúce tlak, zostane tlak konštantný a rovnomerný. Na Zemi však zvyčajne existuje najmenej jedna ďalšia sila, ktorá spôsobuje odchýlky v tlaku kvapaliny, a tou silou je gravitácia.

Gravitácia ťahá nadol všetko, čo má hmotu. Preto, keď gravitácia ťahá smerom nadol na teleso kvapaliny, hmotnosť kvapaliny v horných častiach tela hromada na tekutinu v dolných častiach, čím sa vytvára stupeň zvyšujúceho sa tlaku, keď sa v nej pohybujete smerom nadol tekutina. Napríklad, ak sa ponoríte hlboko do jazera, budete cítiť zvýšený tlak v ušiach - a možno dokonca aj proti telu - tým hlbšie sa ponoríte. Ak prestanete plávať smerom nadol, vyšší tlak pod vami vás bude tlačiť späť hore do oblasti nižšieho tlaku. Týmto spôsobom gravitácia vytvorila tlakovú dynamiku, ktorá diktuje, že pod ponoreným objektom bude vždy väčší tlak ako nad ním.

Grécky filozof a matematik Archimedes posunul toto chápanie tlaku o krok ďalej a dal zmysel z toho dôvodu, prečo kvapalina vyvíja na predmet určité množstvo sily smerom hore a spôsobuje, že buď stúpa a pláva, alebo umožňuje to drez. Zistil, že sila smerom nahor sa rovnala hmotnosti vody vytlačenej ponoreným predmetom. Napríklad voda váži jeden gram na kubický centimeter. Ak ponoríte guľku s objemom 25 centimetrov kubických, vytlačí sa vám 25 gramov vody. Preto bude výsledná vztlaková sila na túto loptu 25 newtonov (newtony sú jednotky, ktoré merajú silu). Táto vztlaková sila vždy závisí od hmotnosti vytlačenej vody, a nie od hmotnosti objektu.

Hustota je nakoniec faktor, ktorý určuje, či bude predmet plávať, klesať alebo zostať neutrálne nadnášaný v tekutine. Napríklad, ak je táto guľôčka s veľkosťou 25 kubických centimetrov dutá a naplnená vzduchom, bude ľahšia ako 25 gramov vody, ktoré vytlačila, a bude plávať. Ak je lopta vyrobená z hustejšieho materiálu, napríklad zo železa, môže byť oveľa ťažšia a rýchlo klesnúť na dno vodnej plochy. Ak však ponoríte guľu s hmotnosťou presne 25 gramov, vztlaková sila ju nevyženie až na povrch, ale iba zabráni jej potopeniu. Táto guľa zostane neutrálne nadnášať v tele kvapaliny, kým na ňu nebude pôsobiť vonkajšia sila.