Kehade ujumine

Sukeldame keha vette nii, et see oleks üleni vees ja laseme lahti. Edasine sõltub kehale mõjuva raskusjõu ja üleslükkejõu vahekorrast:

• kui raskusjõud ületab üleslükkejõu, F_r > F_ü, siis vajub keha põhja – keha upub;
• kui raskusjõud ja üleslükkejõud on võrdsed, F_r = F_ü, siis keha ei vaju põhja ega tõuse pinnale – keha heljub;
• kui raskusjõud on üleslükkejõust väiksem, F_r < F_ü, siis tõuseb keha pinnale. Keha tõuseb veest välja parasjagu nii palju, et keha vette jäävale osale mõjuv üleslükkejõud ja raskusjõud saavad võrdseks, keha ujub.

Sama on kehadega mistahes muus vedelikus. See, kas keha upub, heljub või ujub, sõltub keha ja vedeliku tihedusest. Vastavalt Archimedese seadusele sõltub üleslükkejõud vedelikus vedeliku tihedusest ja keha ruumalast:

F_ü = ρ_vgV.

Kehale mõjuva raskusjõu F_r = m_kg saame analoogiliselt anda tema tiheduse ρ_k ja ruumala V kaudu valemiga

F_r = ρ_kgV.

Nendest valemitest on näha, et:

• keha upub, kui keha tihedus on suurem vedeliku tihedusest, ρ_k > ρ_v;
• keha heljub, kui keha tihedus on võrdne vedeliku tihedusega, ρ_k = ρ_v;
• keha ujub, kui keha tihedus on väiksem vedeliku tihedusest, ρ_k < ρ_v.

Teame, et inimene saab vees liikumatult püsida, kusjuures osa näost on vee peal. See on võimalik tänu sellele, et inimese keskmine tihedus ρ_i = 980 $\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}}$ on veidi väiksem vee tihedusest 1000 $\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}}$. Inimese keskmine tihedus sõltub õhu hulgast kopsudes, väljahingamisel võib see olla üle 1020 $\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}}$, sissehingamisel umbes 970 $\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}}$. Siit on näha, et sügavalt välja hingates võib inimene vajuda üleni vette. Merevees on vee tihedus 1030 $\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}}$, seal on pinnal püsimine lihtsam. Surnumeres, kus vesi on eriti suure soolsusega, saab ka ujumiskogemuseta inimene vees lamada.

Tänapäeva laevad on tehtud rauast. Raua tihedus on palju suurem vee tihedusest. Kui panna rauatükk vette, vajub see kohe põhja. Miks siis laevad põhja ei vaju? Kuna laev ei ole rauatükk, laevas on palju õhuga täidetud ruumi, siis on laeva keskmine tihedus palju väiksem vee tihedusest. Kui suruda õhuga täidetud pall vee alla, mõjub sellel suur üleslükke­jõud ja pall tõuseb kohe pinnale, sest pallis oleva õhu tõttu on palli keskmine tihedus üsna väike. Analoogiline on olukord ka laevadega. Laevade ise­loomus­ta­miseks kasutatakse mõistet laeva veeväljasurve. See antakse tavaliselt tonnides ja näitab, mitu tonni vett surub laeva vees olev osa vett välja.

Jää ujub vees, sest jää tihedus 900 $\frac{\text{kg}}{{\text{m}}^{\text{3}}}$ on vee tihedusest väiksem. Kuna tiheduse erinevus on suhteliselt väike, siis on suurem osa jääst vee all. Meres ujuvatel jäämägedel on umbes 7/8 osa vee all, vee peal seega ainult 1/8 kogu jäämäest.

Kui seni rääkisime vedelikest, siis samad tingimused kehtivad ka gaasides, sealhulgas õhus. Gaasi tihedus on väike, mistõttu enamik kehasid „upuvad”. Teatud tingimustel saab ka gaasis „ujuda”. Õhust kergema gaasiga, näiteks heeliumiga täidetud õhupall tõuseb lendu, sest õhupallile mõjuv üleslükkejõud on õhupallile mõjuvast raskusjõust suurem.

Kui kõrgele õhupall tõuseb? Atmosfääril ei ole kindlat ülemist pinda nagu vedelikul. Õhu tihedus kõrgusega kahaneb ja seetõttu õhu üleslükkejõud kõrgusega väheneb. Mingil kõrgusel saab õhu üleslükkejõud võrdseks õhupallile mõjuva raskusjõuga. Õhupall jääb sellele kõrgusele hõljuma.

Kuumaõhupallis saavutatakse üleslükkejõud sooja õhuga, mille tihedus on välise õhu tihedusest väiksem. Pallis olevat õhku soojendatakse spetsiaalse põletiga ja sellega reguleeritakse ka õhupalli kõrgust.

Areomeeter on vedeliku tiheduse mõõtmiseks kasutatav klaasist ujuk. Selle alaosas paikneb koormis, ülaosas on skaalaga toruke. Vedeliku tiheduse mõõtmiseks asetatakse areomeeter vedelikku. Mida suurem on vedeliku tihedus, seda suurem osa areomeetrist ulatub vedelikust välja. Vedeliku tihedus loetakse skaalalt vedeliku piirpinna kohalt. Areomeetri skaalal on suuremad tiheduse väärtused allpool. Vedelike tihedus sõltub temperatuurist. Seepärast märgitakse areomeetrile temperatuur, mille juures tihedust mõõdetakse.

1. Vasta õppetüki alguses olevatele küsimustele.
2. Milline on areomeetri tööpõhimõte?