Vsakdo že ima nekaj izkušenj s plavanjem v slani in sladki vodi oziroma v morju in v bazenu. Mnogi so opazili, da se v slani vodi lažje obdržijo na gladini. V prispevku boste spoznali, kako nam fizikalno znanje pomaga pri razumevanju plovnosti in pojasnjuje ta pojav.
Osnove plovnosti in Arhimedov zakon
Lebdenje na gladini ali plovnost je sposobnost mirujočega telesa, da se obdrži na gladini tekočine. Potopitev telesa v vodo povzroči razdvojenost vodnih delcev, ki so glede na globino potopa pod določenim pritiskom. Ta pritisk se prenaša na potopljeno telo in ustvari silo vzgona, ki telo iztiska iz vode.
Po Arhimedovem zakonu je vsako telo, potopljeno v vodi, navidezno lažje za težo izpodrinjene vode. Izkaže se, da ni toliko pomembno, koliko je posameznik težak na kopnem. Pomembnejša je prostornina in predvsem odnos njegove telesne mase do te prostornine, o čemer govorimo kot o specifični masi ali gostoti telesa.
Telesa plavajo ali lebdijo, če je vzgon enak teži. Plovnost v tekočinah je torej neposredno odvisna od gostote oziroma specifične teže tekočine, v kateri se telo nahaja. Vzgon je sorazmeren s specifično težo tekočine in prostornino potopljenega dela telesa, medtem ko je teža telesa odvisna od njegove specifične teže in prostornine.
Razlika v gostoti: slana proti sladki vodi
Ključni razlog, zakaj je plavanje v morju lažje kot v sladkovodnem bazenu, tiči v razlikah v gostoti vode. Specifična masa vode na višini morja je približno 1 kg/dm3 in se le malo spreminja. Vendar pa je specifična masa slane vode zaradi sestavin, kot so minerali in sol, večja kot specifična masa sladke vode.
Višja gostota slane vode pomeni, da ta izpodrine večjo težo tekočine pri enaki prostornini kot sladka voda, kar posledično ustvarja večjo silo vzgona. Ta povečan vzgon omogoča, da se v slani vodi lažje obdržimo na površini.
Vpliv gostote vode na plovnost človeškega telesa
Specifična masa človeškega telesa se med posamezniki razlikuje in se giblje od 0,93 do 1,07 kg/dm3. Ta vrednost je odvisna od sestave telesa. Če smo bolj koščeni in mišičasti, bo naša specifična masa večja od tistih, ki imajo več maščevja. Zato bodo takšni posamezniki težje lebdeli na gladini in bodo verjetno imeli več težav pri učenju plavanja v sladki vodi.
Poleg telesne sestave je sposobnost lebdenja na gladini tesno povezana tudi s spretnostjo nadzorovanja dihanja. Z zadrževanjem zraka v pljučih lahko povečamo prostornino telesa in s tem zmanjšamo povprečno gostoto, kar poveča vzgon.
Praktični dokaz: Poskus z jajcem
Preprost poskus z jajcem jasno ponazarja razliko v gostoti med slano in sladko vodo. V kozarec s sladko vodo, bo jajce potonilo, saj je gostota jajca večja od gostote sladke vode. Če pa v kozarec dodamo sol, se bo gostota vode povečala. Slana voda je gostejša od navadne oziroma sladke vode. Z drugimi besedami, jajce, ki je v sladki vodi potonilo, bo v slani vodi splavalo, saj je sedaj gostota jajca manjša od gostote slane vode. Jajce lahko celo lebdi na meji med slano in navadno vodo, če se gostoti tekočin ustrezno prilagodita.
Znanstveni eksperiment s plavajočim jajcem
Primeri plovnosti v naravi in tehnologiji
Večina teles, ki jih spremljamo pri plavanju, je nehomogenih, saj po celoti nimajo enake gostote.
- Ladje, jadrnice, čolni ... plavajo na vodi, zato je njihova povprečna gostota ves čas približno enaka in manjša od vode. Ladje imajo precej votlo notranjost, kar zmanjšuje njihovo povprečno gostoto.
- Podmornice zaradi spremembe globine svojega položaja spreminjajo svojo povprečno gostoto. Za potop morajo imeti večjo povprečno gostoto kot voda, kar dosežejo s polnjenjem prekatov z vodo. Ko se želijo znova dvigniti na gladino, vodo iz njih izčrpajo.
- Večina rib kostnic ima ribji mehur, ki mu lahko spreminjajo prostornino. Ko riba napolni mehur s plinom, izpodrine več vode in vzgon se poveča. Če je vzgon večji od njene teže, se riba dviga. Med praznjenjem mehurja pa se vzgon zmanjša.
- Hrustančnice, kot je morski pes, nimajo ribjega mehurja. Da imajo gostoto telesa primerljivo z gostoto vode, ima njihovo telo veliko maščobe.
- Kiti, največje in najtežje morske živali, so znane po odlični kitovi masti ali olju. Velik delež njihovega telesa je maščoba, ki jim omogoča lažje plavanje, saj zmanjšuje povprečno gostoto telesa.