Flytkraft är förmågan hos ett föremål att flyta i en vätska. Förhållandet mellan föremålets vikt och vikten av det förskjutna vattnet är det som avgör om föremålet kommer att flyta; även om storleken och formen på föremålet har en effekt, är de inte den primära orsaken till att ett föremål flyter eller sjunker. Om ett föremål tränger undan mer vatten än sin vikt kommer det att flyta. Flytkraft är en viktig faktor vid utformningen av många föremål och i ett antal vattenbaserade aktiviteter, såsom båtliv eller dykning.
Arkimedesprincipen
Matematikern Arkimedes, som levde på XNUMX-talet f.Kr., är krediterad för att ha upptäckt mycket av hur flytkraften fungerar. Enligt legenden skulle han gå in i ett bad en dag och märkte att ju mer han sänkte sig i vattnet, desto mer steg dess nivå. Han insåg att hans kropp höll på att tränga undan vattnet i badkaret. Senare kom han fram till att ett föremål under vatten vägde mindre än ett föremål i luften. Genom dessa och andra insikter etablerade han vad som kom att kallas Arkimedesprincipen:
Ett föremål i vätska lyfts upp av en kraft som är lika med vikten av den vätska som föremålet förskjuter.
Positiv, negativ och neutral flytkraft
Ett föremål som flyter i en vätska är positivt flytande. Det betyder att mängden vatten som förträngs av föremålet väger mer än själva föremålet. Till exempel, en båt som väger 50 lbs (23 kg) men tränger undan 100 lbs (45 kg) vatten kommer lätt att flyta. Båten tränger undan mer vatten än sin vikt delvis på grund av dess storlek och form; det mesta av det inre av en båt är luft, vilket är väldigt lätt. Detta förklarar varför massiva oceanångare flyter: så länge det förskjutna vattnet väger mer än fartygen själva, kommer de inte att sjunka.
Negativ flytkraft är det som får föremål att sjunka. Det hänvisar till ett föremål vars vikt är mer än vikten av vätskan det tränger undan. Till exempel kan en sten väga 25 gram, men om den bara tränger undan 15 gram vatten kan den inte flyta. Om 50 lbs (23 kg) båten lastades ner med 75 lbs (34 kg) frakt skulle den inte längre flyta eftersom dess vikt (125 lbs eller 56.69 kg) är tyngre än vikten av vattnet som den tränger undan (100 lbs) eller 45 kg).
Det är också möjligt för ett föremål att vara neutralt flytande. Det betyder att föremålets vikt och mängden vätska det tränger undan är ungefär densamma. Ett neutralt flytande föremål kommer att sväva i vätskan, varken sjunka eller flyta. En ubåt kan justera sin vikt genom att tillsätta eller driva ut vatten i speciella tankar som kallas barlasttankar. Genom att balansera sin ballast på rätt sätt kan ubåten sväva på olika nivåer under vattenytan utan att sjunka.
Storlek och form
Hur mycket av ett föremåls yta som berör vattnet har en effekt på dess flytförmåga. Ett mycket stort fartyg har mycket yta vilket gör att fartygets vikt sprids ut över mycket vatten som allt trycker sig upp på fartyget. Om samma skepp var i vattnet med fören pekande nedåt, skulle det börja sjunka eftersom all vikt är koncentrerad till ett litet område, och vattnet det förskjuter väger mindre än skeppets vikt.
Ett vanligt exempel som används för att visa detta är en person som flyter i vatten. Om personen flyter på rygg kan hela hennes kropp stanna vid eller nära vattenytan. När hon flyter i vattnet med fötterna nedåt, kommer hon att sjunka längre; vanligtvis är det bara hennes överkropp som stannar på toppen av vattnet.
Stabilitet
Stabiliteten i en vätska beror på platsen för ett föremåls flytkraftscentrum i förhållande till dess tyngdpunkt. Ett föremåls tyngdpunkt är den punkt i föremålet där hela föremålets vikt verkar vara koncentrerad; det kan också ses som den genomsnittliga placeringen av objektets vikt. Flytkraftscentrum är tyngdpunkten för vattnet som föremålet har förskjutit. Detta är inte i vattnet, utan i föremålet som flyter på det.
När flytkraftscentrum är direkt ovanför tyngdpunkten kommer objektet att vara stabilt. Om däremot tyngdpunkten ligger över flytkraftscentrum – som i ett fartyg som är lastat med gods högt över vattenlinjen – så blir föremålet instabilt. Om frakten av någon anledning förskjuts åt ena sidan kommer tyngdpunkten och flytkraftscentrum inte längre att ställas i linje. Fartyget kommer att välta när flytkraftscentrum försöker höja sig över tyngdpunkten igen.
I människokroppen är tyngdpunkten vanligtvis i området kring naveln. Flytkraftens centrum är något högre, varför en kropp tenderar att flyta upprätt med axlarna och bålen ovanför benen. Vänd upp och ner, där benen är ovanför bålen, ligger kroppens tyngdpunkt ovanför flytkraftscentrum. Detta gör kroppen instabil, och positionen kan endast bibehållas genom ansträngning.
Flytkraft i praktiken
Genom att tillämpa principerna för flytkraft kan ingenjörer designa båtar, fartyg och sjöflygplan som förblir flytande och stabila i vatten. Detta gäller många andra föremål, såsom livräddare och pontoner. Nästan allt som är designat för vatten är beroende av en förståelse för dessa principer.
Många simmare vet att det finns sätt att göra sina kroppar mer flytande, som att ligga på rygg eller att hålla andan. Dessutom tar det ansträngning att försöka dyka till botten av en pool eftersom kroppen naturligt flyter. Scubadykare behöver i synnerhet veta hur man flyter, svävar och sjunker, och de bär ofta extra vikter och annan utrustning för att hjälpa dem att hantera dessa manövrar.