La prima observație, pare incredibil: un cui mic, dacă este aruncat într-un recipient cu apă, se duce imediat la fund. În schimb, un vapor uriaș, de zeci sau sute de mii de tone, realizat aproape în întregime din oțel solid și greoi, plutește lin pe suprafața mării sau a oceanului. Dacă nu ar exista explicații științifice clare, am putea crede că asistăm la un miracol sau la un paradox nerezolvat. Totuși, în realitate, această diferență aparent absurdă între cuiul care se scufundă și vaporul care plutește se explică în mod clar prin două concepte fundamentale din fizică: densitatea și forța de flotabilitate.
Cuiul se scufundă din cauza densității sale ridicate
Pe platformele sociale sau în discuții informale despre fizică, este adesea întrebat: „Cum poate un obiect greu precum un vapor să plutească, în timp ce un cui mic se scufundă?” Răspunsul constă în modul în care masa este distribuită în raport cu volumul său. Cuiul este realizat din fier sau oțel – metale cu densitate foarte mare – și are un volum extrem de mic. Aceasta înseamnă că masa sa (deci greutatea) este concentrată într-un spațiu restrâns, rezultând o densitate mare. Densitatea este definită ca masa unui obiect împărțită la volumul său (ρ = m/V).
În apă, un obiect va pluti sau se va scufunda în funcție de cât de dens este în comparație cu apa (a cărei densitate este de aproximativ 1.000 kg/m³). Dacă obiectul este mai dens decât apa, el va înfrunta forța de flotabilitate exercitată de lichid și se va scufunda. Acesta este cazul cuiului: are o densitate mult mai mare decât apa, iar forța gravitațională este superioară forței de împingere din apă.
Vaporul plutește pentru că „între el există aer”
Paradoxul devine evident dacă începem să examinăm construcția navelor. Deși un vapor este realizat în principal din oțel – un material cu densitate foarte mare – el este conceput astfel încât să includă multe zone goale umplute cu aer (care are o densitate mult mai mică). Aceste zone, localizate în carena navei, contribuie la reducerea densității medii a întregii structuri. Aici intră în joc principiul lui Arhimede, descoperit acum mai bine de 2.000 de ani: un obiect introdus într-un fluid este împins în sus de o forță (numită forță de flotabilitate) egală cu greutatea volumului de lichid pe care îl deplasează.
Pe baza acestui principiu, o navă va pluti atât timp cât reușește să disloce un volum de apă a cărei greutate este egală cu greutatea totală a navei. De exemplu, dacă un vapor are o greutate de 100.000 de tone, el va continua să se scufunde până ajunge să disloce o cantitate echivalentă de apă. Când această condiție este respectată, nava ajunge la echilibru și se menține la suprafață.
Prin urmare, nu greutatea unui obiect îl determină să se scufunde sau să plutească, ci densitatea acestuia: raportul dintre masa totală și volumul total ocupat.
Când devine periculos? Când densitatea crește
Problemele survin atunci când o navă începe să absoarbă apă – fie printr-o breșă în carenă, ca urmare a unui accident, unei coliziuni sau unei fisuri. În acel moment, compartimentele anterior umplute cu aer sunt invadate de apă, iar densitatea totală a vaporului se amplifică. Dacă densitatea medie a navei devine mai mare decât cea a apei, forța de flotabilitate nu mai poate susține greutatea, iar nava se scufundă, exact ca un cui. De aceea, proiectarea unei nave include precauții precum compartimentarea etanșă și pompe de evacuare a apei, pentru a preveni pătrunderea lichidului în zonele esențiale.
