Kelluvuus on esineen kyky kellua nesteessä. Kohteen painon suhde syrjäytetyn veden painoon määrää sen, kelluuko esine kellumaan; vaikka esineen koolla ja muodolla on vaikutusta, ne eivät ole ensisijainen syy, miksi esine kelluu tai uppoaa. Jos esine syrjäyttää enemmän vettä kuin sen paino, se kelluu. Kelluvuus on tärkeä tekijä monien esineiden suunnittelussa ja monissa vesipohjaisissa aktiviteeteissa, kuten veneilyssä tai sukelluksessa.
Archimedesin periaate
Matemaatikko Archimedes, joka asui kolmannella vuosisadalla eKr., Hänen ansionsa on, että hän on löytänyt suuren osan kelluvuuden toiminnasta. Legendan mukaan hän oli menossa kylpyyn eräänä päivänä ja huomannut, että mitä enemmän hän upotti veteen, sitä enemmän sen taso nousi. Hän tajusi, että hänen ruumiinsa syrjäytti vettä altaassa. Myöhemmin hän päätti, että veden alla oleva esine painoi vähemmän kuin ilmassa oleva esine. Näiden ja muiden oivallusten kautta hän vahvisti Archimedes -periaatteen:
Nesteessä oleva esine nousee voimalla, joka on yhtä suuri kuin nesteen paino, jonka esine syrjäyttää.
Positiivinen, negatiivinen ja neutraali kelluvuus
Nesteessä kelluva esine on positiivisesti kelluva. Tämä tarkoittaa, että esineen syrjäyttämä vesimäärä painaa enemmän kuin esine itse. Esimerkiksi vene, joka painaa 50 kg (23 lbs) mutta syrjäyttää 100 kg (45 kg) vettä, kelluu helposti. Vene syrjäyttää osittain enemmän vettä kuin sen paino sen koon ja muodon vuoksi; Suurin osa veneen sisätiloista on ilmaa, joka on erittäin kevyttä. Tämä selittää, miksi valtavat valtamerialukset kelluvat: niin kauan kuin syrjäytetty vesi painaa enemmän kuin alukset, ne eivät uppoa.
Negatiivinen kelluvuus saa esineet uppoamaan. Se viittaa esineeseen, jonka paino on suurempi kuin sen syrjäyttämän nesteen paino. Esimerkiksi kivi voi painaa 25 grammaa, mutta jos se syrjäyttää vain 15 grammaa vettä, se ei voi kellua. Jos 50 kg: n (23 lbs) veneeseen ladattiin 75 kg (34 lbs) tavaraa, se ei enää kelluisi, koska sen paino (125 kg) on painavampaa kuin sen siirtämän veden paino (56.69 lbs) tai 100 kg).
On myös mahdollista, että esine on neutraali. Tämä tarkoittaa, että esineen paino ja sen syrjäyttämä nesteen määrä ovat suunnilleen samat. Neutraalisti kelluva esine leijuu nesteessä, ei uppoaminen eikä kelluminen. Sukellusvene voi säätää sen painoa lisäämällä tai poistamalla vettä erityisissä säiliöissä, joita kutsutaan painolastisäiliöiksi. Tasapainottamalla liitäntälaitteensa oikein, osa voi leijua eri tasoilla veden pinnan alla uppoamatta.
Koko ja muoto
Kuinka paljon esineen pinta koskettaa vettä, vaikuttaa sen kelluvuuteen. Erittäin suurella aluksella on paljon pinta -alaa, mikä tarkoittaa, että aluksen paino on jakautunut suurelle vedelle, joka kaikki painaa aluksella. Jos sama alus olisi vedessä keula alaspäin, se alkaisi upota, koska kaikki paino on keskittynyt yhdelle pienelle alueelle ja sen siirtämä vesi painaa vähemmän kuin aluksen paino.
Yleinen esimerkki tämän osoittamiseksi on vedessä kelluva henkilö. Jos henkilö kelluu selällään, koko keho voi jäädä veden pinnalle tai sen lähelle. Kun hän kelluu vedessä jalat alas, hän vajoaa kauemmas; tyypillisesti vain hänen ylävartalonsa pysyy veden päällä.
Pysyvyys
Nesteen stabiilisuus riippuu kohteen kelluvuuskeskuksen sijainnista suhteessa sen painopisteeseen. Esineen painopiste on kohteen piste, johon koko esineen paino näyttää keskittyvän; sitä voidaan ajatella myös esineen painon keskimääräisenä sijaintina. Kelluvuuskeskus on kohteen siirtämän veden painopiste. Tämä ei ole vedessä, vaan sen päällä kelluvassa esineessä.
Kun kelluvuuskeskus on suoraan painopisteen yläpuolella, esine on vakaa. Jos painopiste on kuitenkin kelluvuuskeskuksen yläpuolella – kuten laivassa, joka on lastattu rahdilla korkealla vesilinjan yläpuolella – esine muuttuu epävakaaksi. Jos rahti siirtyy jostain syystä toiselle puolelle, painopiste ja kelluvuuskeskus eivät enää ole linjassa. Alus kaatuu, kun kelluvuuskeskus yrittää jälleen nousta painopisteen yläpuolelle.
Ihmiskehossa painopiste on yleensä navan alueella. Kelluvuuden keskipiste on hieman korkeampi, minkä vuoksi vartalo taipuu kellumaan pystyssä olkapäät ja vartalo jalkojen yläpuolella. Kääntynyt ylösalaisin, jossa jalat ovat ylävartalon yläpuolella, kehon painopiste on kelluvuuskeskuksen yläpuolella. Tämä tekee kehosta epävakaan, ja asento voidaan säilyttää vain vaivannäöllä.
Kelluvuus käytännössä
Soveltamalla kelluvuuden periaatteita insinöörit voivat suunnitella veneitä, aluksia ja vesilentokoneita, jotka pysyvät pinnalla ja vakaina vedessä. Tämä pätee moniin muihin kohteisiin, kuten pelastuslaitteisiin ja ponttoneihin. Lähes kaikki vedelle suunniteltu perustuu näiden periaatteiden ymmärtämiseen.
Monet uimarit tietävät, että on olemassa keinoja saada kehonsa kiihtyvämmäksi, kuten makaa selällään tai pidätä hengitystä. Lisäksi altaan pohjaan sukeltaminen vaatii vaivaa, koska keho luonnollisesti kelluu. Erityisesti sukeltajien on tiedettävä kelluva, leijuva ja uppoava, ja he käyttävät usein ylimääräisiä painoja ja muita varusteita näiden liikkeiden hallitsemiseksi.