Prawo Archimedesa

Dlaczego statki pływają, a łodzie podwodne nie toną? Dlaczego balony unoszą się w powietrzu?

Patrząc na wielkie metalowe statki, składające się z kilku pięter, zastanawiamy się, dlaczego one nie toną, jeżeli w odmętach wody ginie mały kamyczek, którym puszczaliśmy kaczki. Od czego zależy, że jedne przedmioty unoszą się na powierzchni wody a inne nie? Na to pytanie odpowiedział nam Archimedes, grecki uczony żyjący w III wieku p.n.e.

Archimedes odkrył swoje prawo w bardzo nietypowy sposób. Mianowicie został on poproszony przez Hierona II ówczesnego władcę Syrakuz, o sprawdzenie materiału, z jakiego została wykonana jego korona. Król, bowiem podejrzewał, iż złotnik, który otrzymał odpowiednią ilość złota do wykonania tego zadania, użył srebra a złoto sobie przywłaszczył. Archimedes długo badał koronę, jednak nie mógł sprawdzić, z czego jest wykonana nie niszcząc jej, aż pewnego dnia biorąc kąpiel zauważył, że zanurzając się w wodzie podnosi jej poziom. To wydarzenie zaowocowało tak dobrze nam znanym okrzykiem „eureka” i podstawowym prawem hydrostatyki. Archimedes wykazał, że korona nie była wykonana całkowicie ze złota, lecz tylko nim pokryta. Dokonał tego w następujący sposób: przygotował bryłkę złota ważącą tyle samo, co badana korona, oraz bryłkę srebra o tej samej wadze. Zanurzył je w wodzie i mierzył ilość wody, jaka została wyparta. Okazało się, że korona wyparła jej znacznie więcej niż odpowiadająca jej wadze bryłka złota, wiec jej objętość była zdecydowanie większa, czyli do jej wykonania posłużono się lżejszym metalem niż złoto.

Zależność tą nazywamy dziś „Prawem Archimedesa” i dzięki niemu wiemy, że na każdy przedmiot zanurzony w wodzie działa pewna siła. Siłę tą nazywamy siłą wyporu, a jej kierunek jest przeciwny do siły ciężkości zanurzonego ciała, natomiast wartość siły równa jest ciężarowi wody, jaka została wyparta przez zanurzony w niej przedmiot. Dzięki temu odkryciu wiemy, że to czy przedmiot tonie czy pływa zależy od siły ciężkości i siły wyporu, od zależności, jaka między nimi powstaje. Jeżeli siła ciężkości jest większa, ciało wtedy tonie tak jak to robią wrzucane do wody kamienie, natomiast, jeżeli siła wyporu jest większa ciało będzie unosić się na powierzchni wody jak dmuchany materac, czy gumowa kaczka. Odkrycie to pozwoliło nam także badać objętości bardzo nieregularnych kształtów, takich, których w żaden sposób nie da zmierzyć się linijką.

Dzięki zależności, którą odkrył Archimedes konstruowane są nie tylko ogromne statki, pozwala to na swobodne zanurzanie się i wynurzanie łodziom podwodnym, czy unoszenie się w powietrzu balonów i sterowców. Prawo to sprawdza się w wszystkich cieczach oraz gazach.