Ujuvus ehk tõstejõud: definitsioon, põhjus ja Archimedes'i seadus

Füüsikas on ujuvus ehk tõstejõud objektile mõjuv jõud, mis suunab objekti ülespoole, kui see asub vedeliku või õhu sees. Ujuvus tekib rõhkude erinevusest kehas erinevatel sügavustel: sügavamal olevad pinnad kogevad suuremat rõhku kui pealisemal olevad pinnad, mistõttu netotõuge on suunatud ülespoole. Ujuvuse mõjul tundub keha kergemana ja see võimaldab kehadel osaliselt või täielikult hõljuda.

Archimedes'i seadus ja valem

Archimedes'i seaduse kohaselt on tõstejõu suurus võrdne kehast välja tõrjutava massi kaaluga ehk väljendatuna valemiga:

F_b = ρ_fluid · V_displaced · g

F_b — tõstejõud (Newtonites, N)
ρ_fluid — vedeliku või gaasi tihedus (kg/m³)
V_displaced — keha poolt välja tõrjutud vedeliku või gaasi ruumala (m³)
g — raskuskiirendus (ligikaudu 9,81 m/s² Maa pinnal)

Seega sõltub tõstejõud täielikult välja tõrjutud aine massist: F_b = m_displaced · g. Kui tõstejõud võrdub keha raskusega, siis keha hõljub neutraalselt; kui tõstejõud on väiksem, keha vajub, kui suurem, kerkib üles.

Kuidas määrab ujuvuse objektide käitumist

Objekt ujuvab pinnal, kui tema keskmine tihedus on väiksem kui ümbritseva vedeliku või gaasi tihedus. Täpsemalt kehtib pinnal hõljumise korral seos:

osa uppununa = ρ_obj / ρ_fluid

See tähendab, et näiteks puidust ese, mille keskmine tihedus on 600 kg/m³, uputab end umbes 600/1000 = 0,6 osa oma ruumalas värskes vees.

Tõstejõud vähendab keha näilist ehk näivat raskust: näiline raskus = tegelik raskus − tõstejõud.

Rakendused ja näited

Ujuvus on oluline paljude sõidukite ja seadmete puhul. Näited:

Paatide ja laevade ehitus põhineb sellel, et kogu kere keskmine tihedus on õhuga täidetud kere tõttu väiksem kui vee tihedus.
Õhupallide ja õhupallide (nt kuumaõhupallid ja gaasitäidetud dirigiblid) puhul on tegemist sama põhimõttega gaasis: tõstejõud võrdub välja tõrjutud õhu kaaluga.
Allveelaevad kasutavad ballasttanke, et muuta keskmist tihedust ja seeläbi sukelduda või kerkida.
Hügromeetrid, ujuvusindikaatorid ja paljud laborimeetodid kasutavad tõstejõu sõltuvust tihedusest määramiseks.

Olulisemad lisamõisted

Keskmise tiheduse oluline roll: sama massiga, kuid erineva ruumalaga keha võib ujudes käituda erinevalt — suurema ruumalaga keha tekitab suurema tõstejõu.
Stabiilsus: objekti stabiilne või ebastabiilne ujuvus sõltub massi- ja tõstejõu keskpunktide asendist (massikeskus, tõstejõu keskpunkt ehk ujuvuskese ja metatsenter).
Rõhuala põhjendamine: pinge muutus koos sügavusega (p = p0 + ρ g h) selgitab, miks alumine pind toob esile suurema ülespoole suunatud jõu kui ülemine pind.

Archimedes'i seadus on lihtne, aga võimas tööriist nii teoreetiliste arvutuste kui ka praktilise inseneritöö aluseks — see selgitab, miks objektid ujuvad, miks laevad ei huku ja kuidas tööstuslikult või teaduslikult mõõta vedelike tihedust.

Joonis, mis näitab, kuidas ujuvus toimib.

Tihedus

Kui esemel on täpselt sama tihedus kui vedelikul, siis on selle ujuvus sama suur kui selle kaal. See ei upu ega hõlju.

Kui eseme keskmine tihedus on suurem kui vedeliku oma, siis on selle ujuvus väiksem kui selle kaal. See vajub. Seepärast ei hõlju kivikesed.

Kui eseme keskmine tihedus on väiksem kui vedeliku oma, siis on selle ujuvus suurem kui selle kaal. Seepärast võib laev olla valmistatud terasest, mis on veest tihedam, kuid see ujub, sest see ümbritseb õhumahtu ja selle tulemusel on laeva keskmine tihedus väiksem kui vee oma.

Seotud leheküljed

Allveelaev
Tõukejõud

Küsimused ja vastused

K: Mis on buumiauto?

V: Ujuvus on objektile mõjuv jõud, mis paneb selle tõusma või ülespoole liikuma, ning see tekib rõhkude erinevusest, mida objektile avaldab vedelik või õhk, milles see on.

K: Kust tuleb sõna "ujuvus"?

V: Sõna "ujuvus" tuleneb hispaania keele sõnast boyar, mis tähendab "ujuma".

K: Milline on ülespoole suunatud neto ujuvvägi?

V: Tõstejõu neto on võrdne kehast välja tõrjutava vedeliku massi suurusega.

K: Mida võimaldab ujuvusjõud objektil teha?

V: Tõukejõud võimaldab objektil hõljuda või vähemalt tunduda kergemana.

K: Millised sõidukid kasutavad ujuvust?

V: Paljud sõidukid, näiteks paadid, laevad, õhupallid ja õhupallid kasutavad ujuvust.

K: Kuidas tekib ujuvus?

V: Ujuvus tekib rõhkude erinevuse tõttu, mida objektile avaldab vedelik või õhk, milles see on.

K: Miks on ujuvus oluline?

V: Ujuvus on paljude sõidukite jaoks oluline, sest see võimaldab neil hõljuda või püsida vee peal.