เรือเหล็กลอยน้ำได้อย่างไร?

 เรือเป็นพาหนะที่ใช้ในการเดินทางทางน้ำ มีโครงสร้างที่ทำมาจากเหล็ก เพื่อความแข็งแรงในการทนทานต่อคลื่นลมในทะเล แต่ทำไมเรือที่ผลิตมาจากเหล็กที่หนักกว่าน้ำทะเลมาก ถึงสามารถลอยบนน้ำทะเลได้ตามหลักการแล้ว เหล็กมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำจึงจมน้ำ แต่ถ้านำเหล็กมาตีแผ่เป็นแผ่นบาง ๆ แล้วทำเป็นรูปทรงของเรือ ปริมาตรจะเพิ่มขึ้นทั้ง ๆ ที่มวลเท่าเดิม ทำให้เรือเหล็กมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ จึงลอยน้ำได้ และน้ำก็มีแรงดันให้เรือลอยขึ้นมาได้แรงนี้เรียกว่า “แรงลอยตัวหรือแรงพยุง”  ซึ่งแรงนี้จะขึ้นอยู่กับปริมาณของน้ำที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่    ยิ่งวัตถุมีพื้นที่สัมผัสกับน้ำมากเท่าไหร่   หรือเข้าไปแทนที่น้ำได้มาก (สังเกตจากปริมาณน้ำในขันหรือชามที่สูงขึ้น)  ความหนาแน่นของวัตถุจะลดลง   และแรงลอยตัวจะเพิ่มขึ้น   วัตถุจึงลอยตัวในน้ำได้ ดังนั้นหากแผ่วัตถุให้มีขนาดใหญ่และมีขอบโค้งขึ้นมาคล้ายเรือ  วัตถุนั้นก็จะลอยตัวได้ดี    

หลักการของอาร์คีมีดีส 

          เมื่อนำวัตถุลงไปแทนที่ของเหลว จะมีแรงต้านเท่ากับน้ำหนักของของเหลวปริมาตรเท่าส่วนจม จากหลักการนี้ทำให้เข้าใจในหลักการหลายอย่าง เรือเหล็กทำไมจึงลอยน้ำ ของเหลวต่างชนิดกันมีความหนาแน่นต่างกัน อาร์คีมีดีสชี้ให้เห็นถึงเรื่องความหนาแน่น และนำมาเทียบกับน้ำเรียกว่า ความถ่วงจำเพาะ

ภาพที่ 1 : กฏการลอยตัว
ที่มา : http://www.rmutphysics.com/charud/virtualexperiment/labphysics1/Fluid/ar...

ภาพที่ 2 : กรณีวัตุถุจมของเหลวและผูกเชือก
ที่มา : http://www.rmutphysics.com/charud/virtualexperiment/labphysics1/Fluid/archimedes/archimedes04.htm

          ความหนาแน่นนี้ขึ้นกับมวลต่อปริมาตร หากวัตถุชนิดเดียวกันมีมวลเท่ากันแต่ปริมาตรต่างกัน ความหนาแน่นก็จะต่างกัน เช่น เมื่อเรานำเหล็กก้อนที่มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ วางลงในน้ำ  เหล็กก้อนนั้นจะจม แต่เมื่อนำเหล็กก้อนนี้มาแผ่ออกให้เป็นแผ่นขอบโค้งเหมือนเรือ ก็จะมีปริมาตรมากขึ้น เมื่อน้ำหนักคงที่และปริมาตรมากขึ้นก็ส่งผลให้ความหนาแน่นน้อยลงจนกระทั่งน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ เรือจึงลอยน้ำได้ นอกจากเรือแล้ว เครื่องบินก็ใช้หลักการนี้ด้วย โดยเลียนแบบปีกของนก คือเมื่อความดันอากาศปะทะผ่านใต้ปีกของเครื่องบินก็จะทำให้เกิดแรงยกที่ปีก เครื่องบินก็จะลอยตัวในอากาศได้การที่เรือสร้างมาจากเหล็กที่มีมวลมากและหนัก ถ้าหากเป็นเพียงแค่แท่งเหล็กคงจมน้ำไปทันที ความฉลาดของมนุษย์จึงใช้เทคนิคจากสูตรข้างต้น ด้วยการเพิ่มปริมาตรของเหล็กให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ จากมวลที่มีเท่าเดิม จึงส่งผลให้ความหนาแน่นเปลี่ยนแปลงไป โครงสร้างที่หนักกว่าน้ำเมื่อถูกเทคนิคการเพิ่มปริมาตรเข้าไป ทำให้เหล็กโปร่ง เบา จึงลอยน้ำได้นั่นเอง

แหล่งที่มา : http://www.rmutphysics.com/charud/virtualexperiment/labphysics1/Fluid/ar....