Bạn có bao giờ tự hỏi tại sao một chiếc thuyền, mặc dù được làm bằng vật liệu nặng như kim loại, lại có thể nổi trên mặt nước không?

Câu trả lời nằm ở những nguyên lý vật lý và lực đẩy hấp dẫn.

Hãy cùng tìm hiểu khoa học về cách làm cho thuyền nổi và các yếu tố giúp chúng nổi!

Nguyên lý về lực đẩy

Lý do chính khiến thuyền nổi là do nguyên lý lực đẩy. Nguyên lý này, được nhà khoa học Hy Lạp cổ đại Archimedes phát hiện đầu tiên, nêu rằng bất kỳ vật thể nào chìm trong chất lỏng sẽ chịu một lực hướng lên bằng với trọng lượng của chất lỏng mà vật thể đó chiếm chỗ. Nói một cách đơn giản hơn, nếu vật thể đẩy đủ nước (hoặc chất lỏng) nặng hơn chính nó, nó sẽ được đẩy lên và sẽ không bị chìm. Khả năng đẩy nước hiệu quả của thuyền là yếu tố chính khiến nó nổi.

Mặc dù được làm bằng vật liệu như kim loại, đặc hơn nhiều so với nước, nhưng thuyền không chìm vì hình dạng và thiết kế của nó. Thuyền thường được thiết kế với các khoảng rỗng hoặc làm từ vật liệu nhẹ, cả hai đều giúp đẩy một lượng nước lớn ra ngoài. Khi thuyền nằm trên mặt nước, nước bên dưới nó bị thân thuyền đẩy ra ngoài, và nước đẩy ngược lên trên với lực bằng nhau, giúp thuyền nổi.

Khi một chiếc thuyền được đặt trong nước, trọng lượng của thuyền đẩy xuống nước, khiến thuyền đẩy đi một lượng nước nhất định. Lực đẩy ngược lại từ nước (lực đẩy) là lực chống lại trọng lượng của thuyền. Nếu trọng lượng của thuyền lớn hơn lực đẩy, thuyền sẽ chìm, nhưng nếu nhỏ hơn, thuyền sẽ nổi.

Mật độ và sự dịch chuyển của nước

Mật độ đóng vai trò chính trong việc xác định một vật thể sẽ nổi hay chìm. Mật độ được định nghĩa là khối lượng trên một đơn vị thể tích và mật độ của một vật thể so với mật độ của nước quyết định vật thể đó chìm hay nổi. Nước có mật độ khoảng 1.000 kilôgam trên một mét khối, trong khi nhiều thuyền được chế tạo bằng vật liệu hoặc thiết kế dẫn đến mật độ tổng thể thấp hơn mật độ của nước.

Để minh họa điều này, chúng ta hãy xem xét một chiếc thuyền làm bằng thép. Thép đặc hơn nước, vì vậy một vật thể bằng thép rắn sẽ chìm. Tuy nhiên, một chiếc thuyền không được làm bằng thép rắn; nó được thiết kế với phần bên trong rỗng và các hình dạng cụ thể cho phép nó đẩy một lượng nước đáng kể. Do đó, nó vẫn ít đặc hơn so với lượng nước mà nó đẩy, cho phép nó nổi.

Hình dạng của thuyền

Hình dạng của thuyền là một yếu tố quan trọng khác quyết định thuyền sẽ nổi hay chìm. Thân thuyền được thiết kế đặc biệt để phân bổ trọng lượng của thuyền trên một diện tích bề mặt lớn hơn. Hình dạng thuyền càng rộng hoặc tròn thì càng đẩy được nhiều nước hơn và lực đẩy thuyền lên càng mạnh. Hình dạng hẹp, sắc nhọn sẽ đẩy ít nước hơn, nghĩa là lực đẩy thuyền yếu hơn và thuyền có thể dễ chìm.

Nhiều thuyền, đặc biệt là những thuyền dùng để vận chuyển hoặc giải trí, được thiết kế với đáy rộng, phẳng để tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc với nước, đảm bảo trọng lượng của thuyền được phân bổ hiệu quả. Nước càng bị đẩy ra nhiều thì lực đẩy thuyền lên càng lớn, cho phép thuyền nổi bất chấp trọng lượng của nó.

Tầm quan trọng của vật liệu đóng thuyền

Các vật liệu dùng để đóng thuyền được lựa chọn cẩn thận để tối đa hóa khả năng nổi của thuyền. Trong khi các kim loại như thép và nhôm thường được sử dụng, chúng thường được kết hợp với các vật liệu khác như sợi thủy tinh, gỗ hoặc nhựa, ít đặc hơn nhiều so với kim loại. Điều này tạo ra vật liệu tổng hợp có mật độ đủ thấp để thuyền có thể nổi.

Các vật liệu hiện đại như polyme gia cố, bọt và các vật liệu composite nhẹ khác đã giúp việc đóng thuyền hiệu quả hơn, giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì được độ bền. Các vật liệu này giúp thuyền duy trì được cấu trúc vừa nổi vừa đủ bền để chịu được điều kiện khắc nghiệt của nước.

Tóm tắt

Thuyền nổi nhờ nguyên lý lực đẩy, được điều chỉnh bởi lực đẩy của nước và khối lượng riêng của thuyền. Bằng cách đẩy nhiều nước hơn trọng lượng của chính mình, thuyền có thể tạo ra lực đẩy hướng lên trên giúp thuyền nổi. Thiết kế, vật liệu và hình dạng của thuyền đều góp phần tạo nên khả năng đáng kinh ngạc này để chống lại trọng lực.

Hiểu được khoa học đằng sau lý do tại sao thuyền nổi có thể nâng cao sự trân trọng đối với những con tàu này và vật lý khiến chúng có thể hoạt động. Lần tới khi bạn ra ngoài nước, hãy nhớ đến khoa học hấp dẫn đang hoạt động dưới chân bạn!

How Do Ships Float On Water? | Archimedes Principle Explained

Video by Black Story