Η άνωση είναι η ικανότητα ενός αντικειμένου να επιπλέει σε ένα υγρό. Η σχέση του βάρους του αντικειμένου με το βάρος του νερού που μετατοπίζεται είναι αυτή που καθορίζει εάν το αντικείμενο θα επιπλέει. Αν και το μέγεθος και το σχήμα του αντικειμένου έχουν όντως επίδραση, δεν είναι ο πρωταρχικός λόγος για τον οποίο ένα αντικείμενο επιπλέει ή βυθίζεται. Εάν ένα αντικείμενο μετατοπίσει περισσότερο νερό από το βάρος του, θα επιπλέει. Η άνωση είναι ένας σημαντικός παράγοντας στο σχεδιασμό πολλών αντικειμένων και σε μια σειρά από δραστηριότητες με βάση το νερό, όπως η βαρκάδα ή η αυτόνομη κατάδυση.
Η Αρχή του Αρχιμήδη
Ο μαθηματικός Αρχιμήδης, ο οποίος έζησε τον τρίτο αιώνα π.Χ., πιστώνεται ότι ανακάλυψε πολλά από το πώς λειτουργεί η άνωση. Σύμφωνα με το μύθο, μια μέρα έμπαινε στο μπάνιο και παρατήρησε ότι όσο βυθιζόταν στο νερό, τόσο ανέβαινε η στάθμη του. Συνειδητοποίησε ότι το σώμα του εκτόπιζε το νερό στην μπανιέρα. Αργότερα, προσδιόρισε ότι ένα αντικείμενο κάτω από το νερό ζύγιζε λιγότερο από ένα αντικείμενο στον αέρα. Μέσα από αυτές και άλλες συνειδητοποιήσεις, καθιέρωσε αυτό που έγινε γνωστό ως η Αρχή του Αρχιμήδη:
Ένα αντικείμενο σε ρευστό σηκώνεται με δύναμη ίση με το βάρος του ρευστού που μετατοπίζει το αντικείμενο.
Θετική, αρνητική και ουδέτερη άνωση
Ένα αντικείμενο που επιπλέει σε ένα υγρό είναι θετικά πλεούμενο. Αυτό σημαίνει ότι η ποσότητα του νερού που μετατοπίζεται από το αντικείμενο ζυγίζει περισσότερο από το ίδιο το αντικείμενο. Για παράδειγμα, ένα σκάφος που ζυγίζει 50 λίβρες (23 κιλά) αλλά εκτοπίζει 100 λίβρες (45 κιλά) νερού θα επιπλέει εύκολα. Το σκάφος εκτοπίζει περισσότερο νερό από το βάρος του εν μέρει λόγω του μεγέθους και του σχήματός του. Το μεγαλύτερο μέρος του εσωτερικού ενός σκάφους είναι αέρας, ο οποίος είναι πολύ ελαφρύς. Αυτό εξηγεί γιατί επιπλέουν τεράστια υπερωκεάνια: όσο το νερό που εκτοπίζεται ζυγίζει περισσότερο από τα ίδια τα πλοία, δεν θα βυθιστούν.
Η αρνητική άνωση είναι αυτό που προκαλεί τη βύθιση των αντικειμένων. Αναφέρεται σε ένα αντικείμενο του οποίου το βάρος είναι μεγαλύτερο από το βάρος του υγρού που εκτοπίζει. Για παράδειγμα, ένα βότσαλο μπορεί να ζυγίζει 25 γραμμάρια, αλλά αν εκτοπίσει μόνο 15 γραμμάρια νερού, δεν μπορεί να επιπλεύσει. Εάν το σκάφος των 50 lbs (23 kg) φορτωνόταν με φορτίο 75 lbs (34 kg), δεν θα επέπλεε πλέον επειδή το βάρος του (125 lbs ή 56.69 kg) είναι βαρύτερο από το βάρος του νερού που εκτοπίζει (100 lbs ή 45 κιλά).
Είναι επίσης δυνατό ένα αντικείμενο να είναι ουδέτερα πλευστό. Αυτό σημαίνει ότι το βάρος του αντικειμένου και η ποσότητα του υγρού που εκτοπίζει είναι περίπου το ίδιο. Ένα ουδέτερα πλευστό αντικείμενο θα αιωρείται στο υγρό, ούτε θα βυθίζεται ούτε θα επιπλέει. Ένα υποβρύχιο μπορεί να ρυθμίσει το βάρος του προσθέτοντας ή αποβάλλοντας νερό σε ειδικές δεξαμενές που ονομάζονται δεξαμενές έρματος. Εξισορροπώντας σωστά το έρμα του, το υποβρύχιο μπορεί να αιωρείται σε διάφορα επίπεδα κάτω από την επιφάνεια του νερού χωρίς να βυθίζεται.
Μέγεθος και σχήμα
Το πόσο από την επιφάνεια ενός αντικειμένου αγγίζει το νερό επηρεάζει την άνωσή του. Ένα πολύ μεγάλο πλοίο έχει μεγάλη επιφάνεια, πράγμα που σημαίνει ότι το βάρος του πλοίου απλώνεται σε πολύ νερό, το οποίο ωθείται προς τα πάνω στο πλοίο. Εάν το ίδιο πλοίο βρισκόταν στο νερό με την πλώρη στραμμένη προς τα κάτω, θα άρχιζε να βυθίζεται επειδή όλο το βάρος συγκεντρώνεται σε μια μικρή περιοχή και το νερό που εκτοπίζει ζυγίζει λιγότερο από το βάρος του πλοίου.
Ένα συνηθισμένο παράδειγμα που χρησιμοποιείται για να αποδείξει αυτό είναι ένα άτομο που επιπλέει στο νερό. Εάν το άτομο επιπλέει ανάσκελα, ολόκληρο το σώμα της μπορεί να παραμείνει στην επιφάνεια του νερού ή κοντά στην επιφάνεια του νερού. Όταν επιπλέει στο νερό με τα πόδια της κάτω, θα βυθιστεί πιο μακριά. τυπικά, μόνο το πάνω μέρος του σώματός της θα παραμείνει στην κορυφή του νερού.
σταθερότητα
Η σταθερότητα σε ένα ρευστό εξαρτάται από τη θέση του κέντρου άνωσης ενός αντικειμένου σε σχέση με το κέντρο βάρους του. Το κέντρο βάρους ενός αντικειμένου είναι το σημείο στο αντικείμενο όπου φαίνεται να συγκεντρώνεται όλο το βάρος του αντικειμένου. μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως η μέση θέση του βάρους του αντικειμένου. Το κέντρο άνωσης είναι το κέντρο βάρους του νερού που έχει μετατοπίσει το αντικείμενο. Αυτό δεν είναι στο νερό, αλλά στο αντικείμενο που επιπλέει πάνω του.
Όταν το κέντρο άνωσης βρίσκεται ακριβώς πάνω από το κέντρο βάρους, τότε το αντικείμενο θα είναι σταθερό. Εάν, ωστόσο, το κέντρο βάρους βρίσκεται πάνω από το κέντρο άνωσης — όπως σε ένα πλοίο που είναι φορτωμένο με φορτίο ψηλά πάνω από τη γραμμή του νερού — τότε το αντικείμενο γίνεται ασταθές. Εάν το φορτίο μετατοπιστεί προς τη μία πλευρά για οποιονδήποτε λόγο, το κέντρο βάρους και το κέντρο άνωσης δεν θα είναι πλέον ευθυγραμμισμένα. Το πλοίο θα ανατραπεί καθώς το κέντρο άνωσης προσπαθεί να ανέβει ξανά πάνω από το κέντρο βάρους.
Στο ανθρώπινο σώμα, το κέντρο βάρους βρίσκεται συνήθως στην περιοχή του ομφαλού. Το κέντρο της άνωσης είναι ελαφρώς υψηλότερο, γι’ αυτό ένα σώμα τείνει να επιπλέει όρθιο με τους ώμους και τον κορμό πάνω από τα πόδια. Αναποδογυρισμένο, όπου τα πόδια είναι πάνω από τον κορμό, το κέντρο βάρους του σώματος βρίσκεται πάνω από το κέντρο άνωσης. Αυτό κάνει το σώμα ασταθές και η θέση μπορεί να διατηρηθεί μόνο με προσπάθεια.
Πλευστότητα στην πράξη
Εφαρμόζοντας τις αρχές της άνωσης, οι μηχανικοί μπορούν να σχεδιάσουν βάρκες, πλοία και υδροπλάνα που παραμένουν επιπλέουν και σταθερά στο νερό. Αυτό ισχύει για πολλά άλλα αντικείμενα, όπως σωσίβια και πλωτήρες. Σχεδόν οτιδήποτε έχει σχεδιαστεί για νερό βασίζεται στην κατανόηση αυτών των αρχών.
Πολλοί κολυμβητές γνωρίζουν ότι υπάρχουν τρόποι για να κάνουν το σώμα τους πιο σφριγηλό, όπως να ξαπλώνουν ανάσκελα ή να κρατούν μια πλήρη αναπνοή. Επιπλέον, η προσπάθεια να βουτήξετε στον πυθμένα μιας πισίνας απαιτεί προσπάθεια επειδή το σώμα επιπλέει φυσικά. Ειδικά οι αυτοδύτες πρέπει να γνωρίζουν πώς να επιπλέουν, να αιωρούνται και να βυθίζονται και συχνά φορούν επιπλέον βάρη και άλλο εξοπλισμό για να τους βοηθήσουν να διαχειριστούν αυτούς τους ελιγμούς.