ציפה ושקיעה
למה אבן שוקעת ועץ צף? התשובה טמונה בצפיפות!
הכלל הפשוט
צף
ρ_גוף < ρ_נוזל
הגוף קל יותר מהנוזל שהוא דוחק.
דוגמה: עץ במים
מרחף
ρ_גוף = ρ_נוזל
הגוף שווה לנוזל - לא עולה ולא יורד.
דוגמה: ביצה במי מלח מדויקים
שוקע
ρ_גוף > ρ_נוזל
הגוף כבד יותר מהנוזל שהוא דוחק.
דוגמה: אבן במים
כוח הציפה
כוח הציפה - המכונה גם כוח הדחיקה או כוח עילוי מדיומי - הוא כוח הידרוסטטי המופעל על-ידי תווך על אובייקט השקוע בו, הדוחף דחף מנוגד אנכית למשקל האובייקט.
עקרון ארכימדס:
כוח הציפה שווה למשקל הנוזל שהגוף דחק.
• אם כוח הציפה > משקל הגוף ← צף
• אם כוח הציפה = משקל הגוף ← מרחף
• אם כוח הציפה < משקל הגוף ← שוקע
זה בדיוק אותו הדבר כמו השוואת צפיפויות!
לכן ים המלח (צפיפות 1.24 g/cm³) מציף בני אדם (צפיפות ~1.01 g/cm³) בקלות!
דוגמאות מהחיים
| גוף | צפיפות | במים מתוקים | במי מלח |
|---|---|---|---|
| עץ | 0.5 g/cm³ | צף | צף |
| קרח | 0.92 g/cm³ | צף | צף |
| גוף אדם | 1.01 g/cm³ | שוקע (בקושי) | צף |
| ביצה טריה | 1.03 g/cm³ | שוקע | צף |
| אבן | 2.5 g/cm³ | שוקע | שוקע |
* מים מתוקים: 1.00 g/cm³ | מי מלח: ~1.03-1.25 g/cm³
שאלה לחשיבה
אוניית פלדה ענקית שוקלת אלפי טונות, אבל צפה על המים. איך זה ייתכן שפלדה (צפיפות 7.9) צפה?
חרף העובדה שצפיפות הפלדה גבוהה משמעותית מזו של מים, המבנה האדריכלי של האונייה מערב חללים נרחבים המכילים אוויר בגוף הספינה. עובדה זו מורידה באופן דרסטי את מסתה וצפיפותה הממוצעת הכוללת מתחת לרף המים (1 g/cm³), מה שמאפשר לה לייצר דחיקת מים אדירה וציפה יציבה.
ניסוי הביצה
ניסוי פשוט לביצוע בבית:
- קחו כוס מים עם ביצה-הביצה שוקעת
- הוסיפו מלח לאט לאט ובחשו
- בשלב מסוים הביצה תתחיל לצוף!
- הסיבה: מי המלח צפופים יותר מהביצה
ים המלח הוא המאגר הטבעי הכי מלוח בעולם, עם צפיפות של כ-1.24 g/cm³.
זה כל כך צפוף, שאפשר לשבת על המים ולקרוא עיתון בלי להתאמץ לצוף!
כמעט אי אפשר לשקוע בים המלח-הגוף האנושי פשוט צף מעלה.
שאלה לחשיבה
מתי השוואת צפיפות הגוף (ρ_גוף) לצפיפות הנוזל (ρ_נוזל) קובעת ציפה, שקיעה או ריחוף נייטרלי?
אם ρ_גוף < ρ_נוזל הגוף צף (בהנחות סטנדרטיות); אם ρ_גוף > ρ_נוזל שוקע; אם שווה-מרחף נייטרלי. זה עיקרון מרכזי להבנת ציפה ושקיעה בנוזלים.