เรือพลังงานไฟฟ้า

เรือเป็นพาหนะที่ใช้ในการเดินทางทางน้ำ มีโครงสร้างที่ทำมาจากเหล็ก เพื่อความแข็งแรงในการทนทานต่อคลื่นลมในทะเล เรือที่ผลิตมาจากเหล็กที่หนักกว่าน้ำทะเลมาก แต่สามารถลอยบนน้ำทะเลได้ เนื่องจาก เหล็กมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำจึงจมน้ำ แต่ถ้านำเหล็กมาตีแผ่เป็นแผ่นบาง ๆ แล้วทำเป็นรูปทรงของเรือ ปริมาตรจะเพิ่มมากขึ้นทั้ง ๆ ที่มวลเท่าเดิม ทำให้เรือเหล็กมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ จึงลอยน้ำได้ และน้ำก็มีแรงดันให้เรือลอยขึ้นมาได้แรงนี้เรียกว่า “แรงลอยตัวหรือแรงพยุง” ซึ่งแรงนี้จะขึ้นอยู่กับปริมาณของน้ำที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่ ยิ่งวัตถุมีพื้นที่สัมผัสกับน้ำมากเท่าไหร่ หรือเข้าไปแทนที่น้ำได้มาก (สังเกตจากปริมาณน้ำในขันหรือชามที่สูงขึ้น) ความหนาแน่นของวัตถุจะลดลง และแรงลอยตัวจะเพิ่มขึ้น วัตถุจึงลอยตัวในน้ำได้ ดังนั้นหากแผ่วัตถุให้มีขนาดใหญ่และมีขอบโค้งขึ้นมาคล้ายเรือ วัตถุนั้นก็จะลอยตัวได้

เมื่อนำวัตถุลงไปแทนที่ของเหลว จะมีแรงต้านเท่ากับน้ำหนักของของเหลวปริมาตรเท่าส่วนจม จากหลักการนี้ทำให้เข้าใจในหลักการหลายอย่าง เช่น เรือเหล็กทำไมจึงลอยน้ำ ของเหลวต่างชนิดกันมีความหนาแน่นต่างกัน

อาร์คีมีดีส เป็นนักวิทยาศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ ในสมัยกรีกโบราณชี้ให้เห็นถึงเรื่องความหนาแน่น และนำมาเทียบกับน้ำเรียกว่า ความถ่วงจำเพาะ อาร์คิมีดีส ค้นพบหลักการที่ทำให้สิ่งต่างๆลอยได้ เริ่มต้นจากเขาโดดลงอ่างอาบน้ำ และสังเกตว่า น้ำจะล้นออกมาจากอ่างอาบน้ำ ขณะที่เรือลอยอยู่ในน้ำ เรือก็ "แทนที่" น้ำในรูปแบบเดียวกัน และยังค้นพบอีกว่า น้ำส่วนที่เรือเข้าไปแทนที่จะต้านกลับด้วยแรงที่เท่ากับน้ำหนักของเรือ ความหนาแน่นของเรือเป็นสิ่งสำคัญ ความหนาแน่น คือ น้ำหนักวัตถุที่วัดได้ต่อหนึ่งปริมาตรของวัตถุนั้น หากเรือหรือวัตถุใดๆก็ตามมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ สิ่งนั้นจะลอยได้ แต่หากวัตถุมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ สิ่งนั้นจะจม

แรงลอยตัว (buoyant force)

แรงลอยตัว คือแรงที่ช่วยพยุงวัตถุไม่ให้จมลงไปในของเหลวโดยมีขนาดขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลวนั้น และปริมาตรของงวัตถุส่วนที่จมลงไปในของเหลว

แรงลอยตัว คือ แรงที่ช่วยพยุงวัตถุ ไม่ให้จมลงในของเหลว โดยมีขนาดขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลวนั้นและปริมาตรของวัตถุที่จมลงในของเหลว ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับแรงลอยตัวได้แก่

1. ชนิดของวัตถุ วัตถุจะมีความหนาแน่นแตกต่างกันออกไป ยิ่งวัตถุมีความหนาแน่นมาก ยิ่งจมลงในของเหลวมากยิ่งขึ้น

2. ชนิดของของเหลว ยิ่งของเหลวมีความหนาแน่นมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขาดมากขึ้นด้วย

3. ขนาดของวัตถุ จะส่งผลต่อปริมาตรที่จมลงในของเหลวมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นอีกด้วย

แรงลอยตัวหรือแรงพยุงของของเหลวทุกชนิดเป็นไปตามหลักของอาร์คิมีดิส (Archimedes' Principle) ซึ่งกล่าวว่าแรงลอยตัวหรือแรงพยุงที่ของเหลวกระทำต่อวัตถุมีขนาดเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับปริมาตรของวัตถุส่วนที่จมอยู่ในของเหลว

r วัตถุ < r ของเหลว r วัตถุ = r ของเหลว r วัตถุ > r ของเหลว

หลักของอาร์คิมีดิส (Archimedes principle) กล่าวไว้ว่า เมื่อหย่อนวัตถุลงในน้ำ ปริมาตรของน้ำส่วนที่ล้นออกมาจะเท่ากับปริมาตรของก้อนวัตถุนั้นที่เข้าไปแทนที่น้ำ

สรุปหลักอาร์คิมีดิส ดังนี้

1.ปริมาตรของเหลวที่ถูกแทนที่ จะเท่ากับปริมาตรของวัตถุส่วนที่จมลงในของเหลว

2.น้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในของเหลว จะมีค่าน้อยกว่าน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศ เนื่องจากแรงพยุงของของเหลวมีมากกว่าแรงพยุงของอากาศ

3. น้ำหนักของวัตถุที่หายไปในของเหลว จะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุแทนที่ ซึ่งคำนวณได้จากผลต่างของน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในอากาศกับน้ำหนักของวัตถุที่ชั่งในของเหลว

4. น้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ จะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับวัตถุส่วนที่จม

ความหนาแน่นของวัตถุ คือ

ความหนาแน่นของวัตถุ

ความหนาแน่น คือ เป็นอัตราส่วนมวลต่อปริมาตรของสารในระบบ เอสไอ มีหน่วยเป็นกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

สูตรการหาความหนาแน่นของวัตถุ d = m/v

d = ความหนาแน่นของวัตถุ

m= มวล

v= ปริมาตร

ความหนาแน่น = มวล/ปริมาตร

วิธีการหาความหนาแน่นของวัตถุ

การหาความหนาแน่นของวัตถุนั้น ใช้กับการหาความหนาแน่นของวัตถุที่ไม่เป็นรูปร่าง มีรูปร่างที่ไม่คงที่ เช่น ก้อนหิน ดินน้ำมัน เป็นต้น

โดยการนำวัตถุที่ต้องการหาความหนาแน่นใส่ลงไปในถ้วยยูเรก้า ที่ใส่น้ำจนเต็มปริ่ม เมื่อใส่วัตถุลงไปแล้ววัตถุจะเข้าไปแทนที่น้ำจะทำให้น้ำที่ถูกแทนที่ด้วยวัตถุไหลออกมา หลังจากนั้นนำน้ำที่ไหลออกมาไปใส่กระบอกตวงเพื่อหาปริมาตร เมื่อหาปริมาตรเรียบร้อยแล้ว ก็นำวัตถุไปชั่งน้ำหนัก ด้วยตาชั่งสปริง เมื่อหามวล เมื่อได้ปริมาตรและมวลของวัตถุเรียบร้อยแล้วก็นำไปแทนค้าในสูตรเพื่อหาความหนาแน่นของวัตถุ

อัตราส่วนระหว่างปริมาตรและน้ำหนักของวัตถุ โดยวัตถุที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะมีน้ำหนักมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบ ในปริมาตรที่เท่ากัน

1. วัตถุจะไม่จมลงไปในของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว

2. วัตถุจะลอยปริ่มของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับของเหลว

3. วัตถุจะจมลงไปในของเหลวเมื่อวัตถุนั้นมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว

ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับแรงลอยตัว ได้แก่

1. ชนิดของวัตถุ วัตถุจะมีความหนาแน่นแตกต่างกันออกไปยิ่งวัตถุมีความหนาแน่นมากก็ยิ่งจมลงไปในของเหลวมากยิ่งขึ้น

2. ชนิดของของเหลว ยิ่งของเหลวมีความหนาแน่นมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นด้วย

3. ขนาดของวัตถุ จะส่งผลต่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลว เมื่อปริมาตรที่จมลงไปในของเหลวมาก ก็จะทำให้แรงลอยตัวมีขนาดมากขึ้นอีกด้วย

ประโยชน์ของแรงลอยตัว

ใช้ในการประคองเรือไม่ให้จมน้ำ