Oppdrift

Oppdrift eller flyteevne er en oppadrettet kraft som virker på et legeme som er helt eller delvis nedsenket i en væske (eller en gass). Oppdriften er like stor som tyngden av den mengden væske legemet fortrenger. Kraften gjør oss i stand til å forklare hvorfor båter og skip kan flyte i vann, og hvorfor ballonger og luftskip kan flyte i luft. Hvis et legeme har lavere massetetthet enn væsken det fortrenger, vil oppdriften få legemet til å flyte i væsken. Veldig enkelt kan vi si at en trekloss på 1 cm³ veier mindre enn 1 cm³ vann og derfor flyter. Mens 1 cm³ jern er tyngre enn 1 cm³ vann og derfor synker.

Krefter og likevekt

Matematisk kan oppdriftskraften som virker på et legeme beskrives som

{\vec {F}}_{b}=-\rho V{\vec {g}},

der $\rho$ er væskens massetetthet, $V$ er volumet av væsken legemet fortrenger og ${\vec {g}}$ er tyngdeakselerasjonen. Minustegnet viser at kraften virker i motsatt retning av tyngdekraften, altså oppover. Hvis vi antar at tyngdeakselerasjonen er konstant, vil oppdriften et legeme opplever avhenge av to faktorer: volumet til legemet og tettheten til den omkringliggende væsken. Jo større legemets volum og væskens tetthet er, jo større er oppdriften.

Legemet vil også oppleve en nedadvirkende tyngdekraft,

{\vec {F}}_{g}=m{\vec {g}},

der $m$ er legemets masse. Om vi antar at det kun er tyngdekraft og oppdrift som virker på legemet, er den totale kraften som virker på legemet

{\vec {F}}={\vec {F}}_{b}+{\vec {F}}_{g}=m{\vec {g}}-\rho V{\vec {g}}=(m-\rho V){\vec {g}}.

Dette viser at et legeme vil synke, hvis tyngden av legemet er større enn tyngden av væsken det fortrenger og at det ellers vil flyte.

Eksempler på oppdrift

Tettheten til Jordens atmosfære er avhengig av høyden. Når et luftskip stiger i atmosfæren, vil derfor oppdriften minke, siden tettheten til den omkringliggende luften blir mindre. Tettheten i vann er derimot så godt som konstant. En ubåt støter ut vann fra oppdriftstankene sine (og fyller dem med luft), og kan dermed stige, fordi oppdriften er den samme (volumet til ubåten er det samme), men tyngden blir mindre.

Når et flytende legeme stiger eller synker vil kreftene rundt legemet endre seg, og siden alle legemer til en viss grad er sammenpressbare, vil også volumet til legemet endre seg. Oppdrift er avhengig av volum, slik at oppdriften til et legeme blir mindre hvis legemet komprimeres, og øker om legemet utvider seg.

Hvis kompressibiliteten (sammenpressbarheten) til et legeme er mindre enn kompressibiliteten til væsken som omgir det, er legemet i stabil likevekt, og vil holde seg i ro. Hvis kompressibiliteten er større enn i omgivelsene, vil likevekten til legemet derimot være ustabil, og den vil stige eller synke om den kommer litt ut av likevekten.

Dybden til en ubåt er ustabil. En ubåt er mer kompressibel enn det omkringliggende vannet, og når dybden øker, fører det økte trykket til at volumet til ubåten minker. Dette fører til at mindre vann blir omplassert, og oppdriften blir mindre.

Høyden til en ballong er stabil. Når en ballong stiger, vil volumet øke på grunn av det minkende trykket, men lasten til ballongen blir ikke utvidet. Den gjennomsnittlige tettheten til ballongen minker derfor mindre enn den omkringliggende luften, og oppdriften reduseres, fordi vekten av den omplasserte luften minker. En stigende ballong vil derfor etter hvert slutte å stige. På lignende måte vil en fallende ballong slutte å falle.

Oppdrift omhandler evnen et legeme har til å flyte i en væske. Båter flyter i vann, og ballonger svever i luften, på grunn av oppdrift. Så godt som alt har oppdriftskrefter. Et sunket skip flyter ikke, men oppdriften gjør den likevel lettere, mens et menneske veier mindre på grunn av oppdriftskreftene i luften. Oppdrift var kjent av selv de første menneskene, som for eksempel så vedkubber flyte, lagde kanoer og etter hvert mer sofistikerte båter. Konseptet bak oppdrift ble derimot ikke fullt ut forstått før man begynte å studere væsker.

Arkimedes' prinsipp

Det var grekeren Arkimedes fra Syrakus i Italia som først oppdaget oppdriftsloven, ofte kalt Arkimedes prinsipp:

Oppdriftskraften er like stor som tyngden av den fortrengte væskemengden.

Tyngden av den fortrengte væsken er direkte proporsjonal til volumet av den fortrengte væsken (forutsatt at den omkringliggende væsken har uniform tetthet). Derfor vil legemet med størst volum blant legemer med samme masse ha størst oppdrift.

Vi kan tenke oss at en stein veier 10 newton når den henger i en streng i vakuum. Hvis vi videre tenker oss at steinen senkes ned i vann, og at vannet som fortrenges har tyngden 3 newton, vil steinens kraft som virker på strengen være: 10 newton − 3 newton = 7 newton. Så dette innebærer at det er lettere å flytte en tung stein under vann enn på land.

Tettheten til legemet som senkes ned, relativt til tettheten av væsken, kan man lett finne uten å måle volumet:

{\mbox{Relativ tetthet}}={\frac {\mbox{Tyngde}}{{\mbox{Tyngde}}-{\mbox{Tyngde i nedsunket tilstand}}}}

Tetthet

Hvis tyngden av et legeme er mindre enn tyngden av væsken legemet fortrenger, så har legemet mindre gjennomsnittlig tetthet enn væsken og har større oppdrift enn tyngden av legemet og det vil stige. Hvis væsken har en overflate, slik som en sjø, vil legemet flyte slik at det fortrenger samme mengde vann som tyngden av legemet. Hvis legemet er nedsunket i væsken, slik som en ubåt under vann eller en ballong i luften, vil legemet stige.

Hvis legemet har nøyaktig samme tetthet som væsken, så er oppdriften like stor som tyngden, og legemet vil hverken stige eller synke.

Et legeme med høyere gjennomsnittlig tetthet enn væsken, vil ha mindre oppdrift enn tyngden av legemet, og det vil synke.

Et skip flyter, selv om det er laget av stål (som er mye tyngre enn vann), fordi skroget omgir et luftvolum, og dette fører til en gjennomsnittlig tetthet som er mindre enn tettheten til vannet.

Se også

Eksterne lenker