2.6 Trykk og oppdrift

Hvorfor flyter et skip av stål?

Et skip kan veie mange tusen tonn og er laget av stål. En liten stålkule synker til bunnen av et vannglass på et halvt sekund. Hvordan er det mulig at skipet flyter, men kulen synker? Svaret handler om to fascinerende begreper i fysikken: trykk og oppdrift.

Trykk og oppdrift forklarer en hel rekke fenomener du opplever i hverdagen. Hvorfor gjør det vondt i ørene når du dykker dypt? Hvorfor synker du i snøen med vanlige sko, men ikke med ski? Hvorfor flyter is på vann? Og hvorfor er det vanskelig å puste på toppen av et høyt fjell?

I dette kapittelet skal vi utforske hva trykk egentlig er, hvordan det virker i væsker og gasser, og hva som bestemmer om noe flyter eller synker. Vi skal også se på tetthet – et nøkkelbegrep som binder alt sammen. Når du forstår trykk og oppdrift, forstår du plutselig veldig mye av verden rundt deg.

Hva er trykk?

Trykk handler om kraft og areal. Nærmere bestemt er trykk hvor mye kraft som virker på et bestemt areal. Formelen er:

p = F / A

Her er p trykket (målt i pascal, Pa), F er kraften (i newton, N), og A er arealet (i kvadratmeter, m²).

Det viktige poenget er at trykket avhenger av arealet kraften fordeles over. Tenk på det slik: Hvis du står på ett ben, virker hele kroppsvekten din gjennom en liten flate (skosålen). Hvis du legger deg flat på bakken, virker den samme vekten over et mye større areal. Trykket på bakken er mye lavere når du ligger.

Dette forklarer hvorfor ski fungerer. Med vanlige sko fordeler du vekten din over to små såler – kanskje 0,05 m² til sammen. Med ski fordeler du den over kanskje 0,6 m². Trykket på snøen blir 12 ganger lavere, og du synker ikke ned.

Samme prinsipp forklarer hvorfor kniver er skarpe. En skarp kniv har en veldig tynn egg, altså et veldig lite areal. Når du presser ned, blir trykket enormt fordi kraften fordeles over et bittelite areal. En sløv kniv har en bredere egg og gir lavere trykk – derfor kutter den dårligere.

Trykk måles i pascal (Pa). Normalt lufttrykk ved havnivå er ca. 101 325 Pa, som kalles 1 atmosfære (1 atm).

Trykk i væsker og gasser

Trykk finnes ikke bare mellom faste gjenstander – det finnes også i væsker og gasser.

Trykk i væsker øker med dybden. Tenk på det som en stabel med vannlag oppå hverandre. Jo dypere du er, desto mer vann hviler oppå deg, og desto høyere blir trykket. For hver 10 meter du dykker ned i vann, øker trykket med ca. 1 atmosfære. På 10 meters dyp er trykket altså ca. 2 atm (1 fra luften over + 1 fra vannet). På 30 meters dyp er det ca. 4 atm.

Dette er grunnen til at det gjør vondt i ørene når du dykker. Vanntrykket presser på trommehinnen utenfra, mens trykket på innsiden av øret fortsatt er det samme som på overflaten. Trykkforskjellen gir smerte.

Et viktig prinsipp er at trykket i en væske virker likt i alle retninger på et gitt dyp. Dette kalles Pascals prinsipp og er grunnlaget for hydrauliske systemer – som billøftere på verksted.

Lufttrykk er trykket fra luften rundt oss. Vi merker det vanligvis ikke fordi kroppen er tilpasset det. Lufttrykket avtar med høyden, fordi det er mindre luft over oss jo høyere opp vi er. På toppen av Mount Everest (8 849 m) er lufttrykket bare ca. en tredjedel av trykket ved havnivå, og det er derfor fjellklatrere trenger ekstra oksygen.

I værvarsling brukes lufttrykk: lavtrykk gir ofte skyet vær og nedbør, mens høytrykk gir klart og fint vær.

Oppdrift og tetthet

Nå kommer vi til det store spørsmålet: hva er det som bestemmer om noe flyter eller synker?

Svaret handler om oppdrift og tetthet. Oppdrift er kraften som virker oppover på en gjenstand i en væske eller gass. Den greske vitenskapsmannen Arkimedes oppdaget prinsippet for over 2 000 år siden:

Arkimedes' prinsipp: Oppdriftskraften er lik tyngden av den væsken gjenstanden fortrenger.

Hvis du legger en gjenstand i vann, skyver den bort (fortrenger) en viss mengde vann. Oppdriftskraften er lik tyngden av dette fortrengte vannet. Hvis oppdriften er større enn gjenstandens tyngde, flyter den. Hvis tyngden er større enn oppdriften, synker den.

Det enkleste måten å avgjøre dette på er å sammenligne tetthet. Tetthet er masse per volum: ρ = m / V (målt i kg/m³ eller g/cm³).

Vann har tetthet 1 000 kg/m³ (1,0 g/cm³). Alt med lavere tetthet enn vann flyter, og alt med høyere tetthet synker:
- Tre (ca. 500 kg/m³) → flyter
- Is (917 kg/m³) → flyter (derfor flyter isfjell!)
- Olje (ca. 900 kg/m³) → flyter på vann
- Jern (7 874 kg/m³) → synker

Men vent – et skip av jern flyter! Det er fordi skipet er hult og fylt med luft. Den gjennomsnittlige tettheten til skipet (stål + luft) er lavere enn vannets. Hvis skipet fylles med vann, forsvinner luften, tettheten øker, og skipet synker.

Is, isfjell og livet under overflaten

At is flyter på vann er noe vi tar for gitt, men det er faktisk ganske uvanlig. De fleste stoffer er tettere i fast form enn i flytende form, men vann er et unntak. Is har tetthet 917 kg/m³ mot vannets 1 000 kg/m³, og derfor flyter isen.

Dette har enorme konsekvenser. Når en innsjø fryser om vinteren, dannes isen på overflaten. Islaget isolerer vannet under og hindrer hele innsjøen i å fryse. Under isen holder vannet seg på ca. 4 °C – nok til at fisk og andre organismer overlever vinteren. Hvis is var tyngre enn vann, ville innsjøer fryse fra bunnen og opp, og livet i innsjøen ville dø.

Siden is har 91,7 % av vannets tetthet, ligger 91,7 % av et isfjell under vann. Bare ca. 8 % stikker opp – det er opprinnelsen til uttrykket «bare toppen av isfjellet».

La oss ta et regnestykke: En isbit har et volum på 100 cm³. Massen er ρ · V = 0,917 g/cm³ · 100 cm³ = 91,7 g. Volumet under vann er 91,7 g / 1,0 g/cm³ = 91,7 cm³. Det betyr at 100 - 91,7 = 8,3 cm³ stikker over vannoverflaten.

Tetthet er også grunnen til at olje flyter på vann og danner oljeflak ved oljeutslipp. Olje har tetthet ca. 900 kg/m³, som er lavere enn vannets 1 000 kg/m³. Dette er faktisk nyttig ved oppryddingsarbeid, fordi oljen samler seg på overflaten der den kan fjernes.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi lært om trykk og oppdrift.

Trykk er kraft per areal: p = F / A, målt i pascal (Pa). Jo mindre areal kraften fordeles over, desto høyere trykk. Dette forklarer hvorfor ski fungerer, og hvorfor kniver er skarpe.

Trykk i væsker øker med dybden – ca. 1 atm per 10 meter i vann. Lufttrykk avtar med høyden. Trykk i væsker virker likt i alle retninger (Pascals prinsipp).

Oppdrift er kraften som virker oppover på gjenstander i væsker. Arkimedes' prinsipp sier at oppdriften er lik tyngden av den fortrengte væsken.

Tetthet (ρ = m / V) avgjør om noe flyter eller synker: gjenstander med lavere tetthet enn væsken flyter, og gjenstander med høyere tetthet synker. Et stålskip flyter fordi den gjennomsnittlige tettheten (stål + luft) er lavere enn vannets.

At is flyter er livsviktig – det danner et isolerende lag som beskytter livet i innsjøer om vinteren.