Kako brod ne potone?

Jeste li se ikada pitali kako brod ne potone? Kako je moguće da tako teška i velika konstrukcija ne tone na dno mora sekundu kad dođe na vodu? Iako se čini kao da je ovo pitanje možda više primjereno dječjoj znatiželji, nerijetko se i sami pitamo kako zakoni fizike zaista funkcioniraju. Danas ćemo odgovoriti na vaše pitanje!

Kako brod ne potone? Pa, zahvaljujući uzgonu i Arhimedovom zakonu. Tko je u srednjoj školi ili na fakultetu slušao kolegije vezane za mehaniku fluida, sad se vjerojatno hvata za glavu. Bez brige, ne morate se sami prisjećati o čemu se radi jer ćemo vam sve detaljno objasniti!

Što je uzgon?

Uzgon je sila kojom tekućina djeluje na tijelo što je uronjeno u nju. Sama riječ “uzgon” otkriva u kojem smjeru isti djeluje – uzdiže nas natrag na površinu. Dobra vijest za neplivače, zar ne? I plinovi zapravo imaju fenomen sile uzgona, samo što je to nekako manje zanimljivo nama rekreativcima.

Formula za silu uzgona, koja se izražava u Njutnima (N) baš kao i svaka druga sila, jest umnožak gustoće tekućine, gravitacijske akceleracije (“malo g”) i volumena tijela. Postoje statički i dinamički uzgon – statički je ovaj što smo ga upravo spomenuli i ljudi uglavnom misle na njega kada kažu uzgon.

Ilustriranje statičkog uzgona najbolje se radi korištenjem fotografija s Mrtvog mora. Naime, ljudi tamo mogu bez problema ležati na površini vode jer je gustoća fluida tolika (ovisi o salinitetu) da je uzgon veći. Kako brod ne potone? Na slanoj vodi taj posao još je lakši.

Dinamički uzgon djeluje na površinu tijela koje se giba u plinu ili tekućini pa će zapravo ova vrsta uzgona biti jako bitna pri izradi podmornica, zrakoplova, aviona i sličnih pokretnih naprava. I ovaj je uzgon svakako zanimljiv, ali on je obično tek neki dodatak u računu.

Generalno, gustoća vode je zanimljiv i bitan koncept kad odgovaramo na pitanje kako brod ne potone. Poveznica postoji i s “hodanjem na vodi“, a gustoćom fluida može se manipulirati i dodavanjem škrobi. Mi ćemo ipak ostati na pitanju kako brod ne potone.

Što kaže Arhimedov zakon?

Arhimedov zakon možda ste također već čuli, ali sumnjamo da vam ga je netko ponudio kao odgovor na pitanje kako brod ne potone. Arhimed iz Sirakuze bio je fizičar, astronom i matematičar koji se smatra jednim od najbitnijih ličnosti u svijetu prirodnih znanosti. Otkrio je takozvani Arhimedov zakon koji je usko povezan s idejom uzgona.

Teretni brod ne potone zato što vrijedi Arhimedov zakon koji kaže da tijelo uronjeno u tekućinu prividno gubi na težini onoliko koliko teži tekućina koju je to tijelo istisnulo. Što to zapravo znači u praksi i kako je to onda povezano s teretnim brodovima? Dopustite nam da vam ilustriramo ovaj zakon kroz nekoliko primjera.

Ilustracija Arhimedovog zakona

Zamislimo da u kockastu posudu dimenzija 1 dm x 1 dm x 1 dm, do vrha punu vode, stavimo mali kockasti kamen dimenzija 1 cm x 1 cm x 1 cm. Pretpostavimo da, van vode, kamen ima masu 10 g (to odgovara gustoći kamena od 10 g/cm³), pa je prema tome njegova težina otprilike jednaka 10 g puta 10 m/s² što iznosi 0.1 N.

Kada kamen stavimo u vodu, on će istisnuti volumen vode jednak volumenu kamena, a to je jednako 1 cm³. Kako je gustoća vode jednaka 1 g/cm³, to znači da je masa istisnute vode jednaka 1 g, a pripadna težina 0.01 N. Dakle, kamen u vodi je istisnuo količinu vode koja teži 0.01 N, pa je prema Arhimedovom zakonu, kamen prividno izgubio na težini 0.01 N, tj. on sad teži 0.09 N.

Zamislimo sada da u vodu stavljamo drvenu kockicu. Pretpostavimo da je gustoća drva otprilike jednaka 0.5 g/cm³. Ako sada stavimo takvu kockicu u vodu (tako da bude potpuno pod vodom!), ona će prividno izgubiti na težini opet (!) 0.01 N.

Međutim, težina kockice van vode je 0.005 N, tako da bi ukupna težina te kockice u vodi bila 0.005 N – 0.01 N = -0.005 N, težina manja od nule! Negativan rezultat znači da na kockicu djeluje sila u smjeru suprotnom od težine, dakle, prema gore. Tu se jasno vidi poveznica Arhimedovog zakona i uzgona. Ako se komadić drva potpuno potopi pod vodu, a na njega se ne djeluje nekom silom, on će isplivati!

Ako se drvena kockica samo do pola uroni u vodu, ona će na težini izgubiti samo pola od prijašnje vrijednosti, jer je pripadni istisnuti volumen vode upola manji. U tom slučaju ona je ukupno teška 0.005 N – 0.005 N = 0 N, tj. ona je prividno izgubila težinu. To znači da bi kockica plivala na površini: jednim svojim dijelom ispod vode, a drugim iznad!

U ovom primjeru s kockicom se krije i odgovor na pitanje kako teretni brod ne potone. Upravo zato jer “na težini izgubi” upravo toliko koliko iznosi njegova težina van vode. Time njegova (prividna) ukupna težina postaje jednaka nuli kao i u slučaju s drvenom kockicom.

Zašto kamen tone, a brod ne?

Možda ste odmah povjerovali briljantnom Arhimedu, a možda još uvijek imate neke sumnje. Kad bacimo kamen u vodu, taj kamen tone. Sigurni smo da ste to napravili barem nekoliko puta u životu – bacali kamenčiće s obale u more. Ti kamenčići svakako nisu plivali niti ostali na površini vode.

Kako je onda moguće da brod, teretno vozilo toliko teže od kamena, pluta? Tu valja uzeti u obzir još jednu bitnu stvar, a to je količina zraka koja se nalazi u određenom objektu. Pokušat ćemo vas još i ovim dodatnim objašnjenjem uvjeriti da je logično da brod ne tone, ali morate vrlo pažljivo čitati i slušati. Na kraju ćemo još spomenuti najpoznatiji primjer broda koji tone – Titanik.

Na određeni volumen, brod je svakako manje “gust” od vode jer u sebi sadrži dosta zraka. Voda istog volumena svakako će biti teža jer je gustoća vode oko 997 kilograma po kubnom metru, dok je zrak tek zanemarivih 1.3 kilograma po kubnom metru. Kad razmislimo o brodovima koji tonu, možemo također razmisliti o tome zašto tonu…

U većini filmova odgovor na pitanje kako brod ne potone prilično je jasan – napune se vodom. Njihova gustoća i njihova masa time se povećava, stoga i njihova težina. Kad pričamo o težini, pričamo o Njutnima i tu nam je jasno da težina djeluje upravo suprotno od sile uzgona i na taj način ju postepeno “pobjeđuje”.

Najjednostavniji način da skratimo odgovor na pitanje iz podnaslova jest da se upitamo je li težina onoga što je ubačeno u vodu manja ili veća od težine vode što to tijelo izbacuje van ili odmiče “prema gore” (voda se ne može nikako modificirati osim da povisi razinu). Kako brod ne potone? Fizika se za to pobrinula, a inženjeri moraju osigurati mirnu plovidbu.

Nadamo se da vam je sad jasno da pitanje kako brod ne potone vodi do mnogih drugih pitanja – kako da čovjek ne potone? Odgovor je sličan. Jeste li primijetili da su veste za spašavanje pune zraka i da se mogu napuhati? Ista stvar je s brodićima, ali i dječjim rukavicama. Voda ima tako malu gustoću da uvijek pluta i ilustrira odgovor na pitanje kako brod ne potone.

Što se dogodilo na Titaniku?

Kako brod ne potone? Zašto je Titanik onda potonuo? Kako bismo zaokružili ovaj primjer, želimo spomenuti jednu od najvećih modernih tragedija ikada, a to je potapanje Titanika.

U to vrijeme, 1911. godine, Titanik se smatrao “nepotopivim” brodom i bio je najveći i najluksuzniji brod koji je do tada napravljen. Njegova je masa iznosila preko 46 tisuća tona. Možete li uopće zamisliti koliko je to? Sigurno biste se pitali kako brod ne potone ako je tako težak, ali sada već znate i odgovor na to pitanje.

Ipak, 1912. godina bila je fatalna za sve putnike na ovom velikom brodu. Što se dogodilo? Nismo li rekli da brodovi ne tonu zbog Arhimedovog zakona? Da, ali samo dok se ne dogodi neka vrsta oštećenja ili problema pa u brod krene ulaziti voda. Tada se počinje dešavati već spomenuti fenomen povećanja težine i u nekom trenutku, kad težina broda postane veća od težine vode koja se podigla oko njega, brod tone velikom brzinom.

Sigurni smo da je jedan pogled na sliku Titanika dovoljan da se svatko od nas pita kako brod ne potone ako je toliko velik. Što se točno dogodilo na Titaniku? Danas postoje brojna nagađanja i nitko nije u potpunosti siguran što je dovelo do ove tragedije koja je usmrtila više od 1500 ljudi, ali se vjeruje da su u priču bili uključeni razni faktori. Spomenimo ih.

Za početak, neki su okrivili kapetana i posadu za preveliku brzinu kojom je Titanik putovao. Radilo se o ogromnom brodu koji je ipak trebao imati nešto reguliraniju brzinu – tako je pretpostavio Robert Essenhigh.

Osim toga, posada Titanika, konkretno osoba koja je bila zadužena za prijem poruka putem radioprijenosa, nije ozbiljno doživjela upozorenja vezana za ogromne sante leda koje su bile na putu. Jack Phillips je tu po mnogima glavni krivac, dok neki misle da je poruka trebala biti slana s određenim prefiksima koji bi osigurali da i kapetan broda vidi poruku i potvrdi ju.

Još neki od problema koje su znanstvenici i inženjeri kasnije spominjali uključuju nepogodne vremenske prilike, članove posade koji su u potpunosti paničarili kad je postalo jasno da će brod udariti u santu, ali i materijale koji su ostali kao potvrda da je Titanik napravljen iz jeftinijih, recikliranih metala. Kako brod ne potone, odnosno kako to osigurati? Pa, trebalo bi zaista pripremiti sve djelatnike i ne štedjeti na sigurnosnim provjerama.

Jednom kad je Titanik udario u santu leda, ogromna količina vode počela je ulaziti u sam brod. Zbog veličine oštećenja, brod se vodom punio brzo, a težina se povećavala sve brže i brže. Nažalost, Titanik nije bio opremljen ni s dovoljno opreme za spašavanje, što je također utjecalo na tragični ishod. Kad raspravljamo o pitanju kako brod ne potone, odmah moramo raspravljati i o pitanju što ako bude tonuo.

Na kraju dana, ni najveći ni najskuplji brodovi nisu imuni na zakone fizike. Odgovor na pitanje kako brod ne potone nije izmislio čovjek, već priroda, a Arhimed ga je samo zapisao.

Ukoliko je težina broda veća od težine vode koju izmiče, nastaju problemi. Možemo biti zahvalni na vrlo niskoj gustoći zraka koja garantira da brod nikad neće potonuti, sve dok god u njemu postoji dovoljno zraka i u njega rapidnom brzinom ne ulazi voda. Kad saznamo kako brod ne potone, odnosno kad shvatimo da se radi jednostavno o zakonima prirode, postaje nam jasno da smo ipak izloženi opasnostima prirode.

Ako vas zanima nešto više o samom Titaniku, možete pogledati kultni film koji na zanimljiv način opisuje događaj, ali pokreće i neke kontroverzne teorije o tome kako i zašto je sam brod potonuo. Ipak, ako niste fanovi romanse, možda je bolje da se okrenete u smjeru dokumentaraca! Nadamo se da sada znate odgovor na pitanje kako brod ne potone!