Flotabilitatea este capacitatea unui obiect de a pluti într-un lichid. Relația dintre greutatea obiectului și greutatea apei deplasate este cea care determină dacă obiectul va pluti; deși dimensiunea și forma obiectului au un efect, ele nu sunt motivul principal pentru care un obiect plutește sau se scufundă. Dacă un obiect deplasează mai multă apă decât greutatea sa, va pluti. Flotabilitatea este un factor important în proiectarea multor obiecte și într-o serie de activități pe bază de apă, cum ar fi plimbările cu barca sau scufundările.
Principiul lui Arhimede
Matematicianului Arhimede, care a trăit în secolul al treilea î.Hr., i se atribuie faptul că a descoperit o mare parte din modul în care funcționează flotabilitatea. Potrivit legendei, într-o zi intra într-o baie și a observat că cu cât se scufunda mai mult în apă, cu atât nivelul acesteia creștea mai mult. Și-a dat seama că corpul lui deplasa apa din cadă. Mai târziu, a stabilit că un obiect aflat sub apă cântărea mai puțin decât un obiect în aer. Prin aceste și alte realizări, el a stabilit ceea ce a devenit cunoscut sub numele de Principiul lui Arhimede:
Un obiect în fluid este susținut de o forță egală cu greutatea fluidului pe care obiectul îl deplasează.
Flotabilitate pozitivă, negativă și neutră
Un obiect care plutește într-un lichid este plutitor pozitiv. Aceasta înseamnă că cantitatea de apă deplasată de obiect cântărește mai mult decât obiectul în sine. De exemplu, o barcă care cântărește 50 lbs (23 kg) dar deplasează 100 lbs (45 kg) de apă va pluti cu ușurință. Barca deplasează mai multă apă decât greutatea ei, în parte datorită dimensiunii și formei sale; cea mai mare parte a interiorului unei bărci este aer, care este foarte ușor. Aceasta explică de ce plutesc navele maritime de ocean: atâta timp cât apa deplasată cântărește mai mult decât navele în sine, ele nu se vor scufunda.
Flotabilitatea negativă este ceea ce face ca obiectele să se scufunde. Se referă la un obiect a cărui greutate este mai mare decât greutatea lichidului pe care îl deplasează. De exemplu, o pietricică poate cântări 25 de grame, dar dacă înlocuiește doar 15 grame de apă, nu poate pluti. Dacă barca de 50 lbs (23 kg) a fost încărcată cu 75 lbs (34 kg) de marfă, ea nu ar mai pluti, deoarece greutatea sa (125 lbs sau 56.69 kg) este mai mare decât greutatea apei pe care o deplasează (100 lbs). sau 45 kg).
De asemenea, este posibil ca un obiect să fie neutru. Aceasta înseamnă că greutatea obiectului și cantitatea de lichid pe care o înlocuiește sunt aproximativ aceleași. Un obiect plutitor neutru va pluti în lichid, fără să se scufunde sau să plutească. Un submarin își poate regla greutatea prin adăugarea sau expulzarea apei în rezervoare speciale numite tancuri de balast. Prin echilibrarea corectă a balastului, submarinul poate pluti la diferite niveluri sub suprafața apei fără să se scufunde.
Mărime și formă
Cât de mult din suprafața unui obiect atinge apa are un efect asupra flotabilității acesteia. O navă foarte mare are o suprafață mare, ceea ce înseamnă că greutatea navei este răspândită pe o mulțime de apă, toate acestea împingând în sus pe navă. Dacă aceeași navă ar fi în apă cu prova îndreptată în jos, ar începe să se scufunde, deoarece toată greutatea este concentrată într-o zonă mică, iar apa pe care o deplasează cântărește mai puțin decât greutatea navei.
Un exemplu comun folosit pentru a demonstra acest lucru este o persoană care plutește în apă. Dacă persoana plutește pe spate, întregul ei corp poate rămâne la sau lângă suprafața apei. Când plutește în apă cu picioarele în jos, se va scufunda mai departe; de obicei, numai partea superioară a corpului ei va rămâne în vârful apei.
Stabilitate
Stabilitatea într-un fluid depinde de locația centrului de flotabilitate al unui obiect în raport cu centrul său de greutate. Centrul de greutate al unui obiect este punctul din obiect în care toată greutatea obiectului pare să fie concentrată; poate fi considerată și ca locația medie a greutății obiectului. Centrul de flotabilitate este centrul de greutate al apei pe care obiectul l-a deplasat. Aceasta nu este în apă, ci în obiectul care plutește pe ea.
Când centrul de flotabilitate este direct deasupra centrului de greutate, atunci obiectul va fi stabil. Dacă, totuși, centrul de greutate este deasupra centrului de flotabilitate – ca într-o navă care este încărcată cu mărfuri deasupra liniei de apă – atunci obiectul devine instabil. Dacă mărfurile se deplasează într-o parte din orice motiv, centrul de greutate și centrul de flotabilitate nu se vor mai alinia. Nava se va răsturna pe măsură ce centrul de flotabilitate încearcă să se ridice din nou deasupra centrului de greutate.
În corpul uman, centrul de greutate este de obicei în zona buricului. Centrul de flotabilitate este puțin mai înalt, motiv pentru care un corp tinde să plutească în poziție verticală cu umerii și trunchiul deasupra picioarelor. Întoarse cu susul în jos, acolo unde picioarele sunt deasupra trunchiului, centrul de greutate al corpului este deasupra centrului de flotabilitate. Acest lucru face corpul instabil, iar poziția poate fi menținută doar prin efort.
Flotabilitatea în practică
Aplicând principiile flotabilității, inginerii pot proiecta bărci, nave și hidroavioane care rămân pe linia de plutire și stabile în apă. Acest lucru este valabil pentru multe alte obiecte, cum ar fi salvarea și pontoanele. Aproape orice lucru conceput pentru apă se bazează pe înțelegerea acestor principii.
Mulți înotători știu că există modalități de a-și face corpul mai plutitor, cum ar fi să se întindă pe spate sau să țină respirația plină. În plus, încercarea de a te scufunda pe fundul unei piscine necesită efort, deoarece corpul plutește în mod natural. Scafandrii, în special, trebuie să știe cum să plutească, să plutească și să se scufunde, iar adesea poartă greutăți suplimentare și alte echipamente pentru a-i ajuta să gestioneze aceste manevre.