چرا میخ در آب فرو می‌رود، اما کشتی‌ها روی سطح آب شناور می‌مانند؟

درحالی‌که وب‌سایت‌های علمی ممکن است به‌راحتی به توضیح عجیب‌ترین اسرار جهان مشغول شوند، سوال‌های پیش‌پاافتاده‌تری وجود دارد که مردم دوست دارند پاسخ آن‌ها را بدانند. یکی از سوالاتی که به‌تازگی در گروه فیسبوکی «فیزیک سرگرم‌کننده است» مطرح شده، این است که چرا میخ در آب ته‌نشین می‌شود، اما کشتی آهنی بزرگ روی آب شناور می‌ماند؟

برای پاسخ به این سوال باید کمی درمورد چگالی و شناوری بیاموزیم که البته در مدرسه نیز درمورد آن‌ها آموخته‌اید.

شناوری نیرویی به سمت بالا درون سیال (هر ماده جاری‌ ازجمله هوا) است که بر تمام اجرام داخل آن وارد می‌شود. این نیرو از فشار درون سیال می‌آید و هرچه در سیال به سمت پایین‌تر می‌روید، بیشتر می‌شود.

فشار روی کف جسم درون سیال بیشتر از فشار روی بالای جسم است و موجب نیروی رو به بالا می‌شود. طبق اصل ارشمیدس، روی جسمی که در سیالی غوطه‌ور یا تا حدی غوطه‌ور است، نیروی شناوری برابر وزن سیالی که جا‌به‌جا می‌کند، وارد می‌شود.

اگر نیروی شناوری سیال از نیروی رو به پایین (جرم آن ضرب در قدرت میدان گرانشی) جسمی که درون آن قرار دارد، بیشتر باشد، جسم شناور خواهد بود. اما اجرامی که چگالی آن‌ها (در سطح) از آب بیشتر است، در آب غرق می‌شوند تا زمانی که نیروها با هم برابر شوند.

بنابراین، میخ فرضی در آب غرق می‌شود، زیرا چگالی آن از آب بیشتر است. استثناهایی برای  اجسام کوچک‌تری وجود دارد که می‌توانند به وسیله‌ی کشش سطحی آب روی سطح بمانند، اما اجازه دهید وارد مباحث پیچیده نشویم.

اما کشتی‌ها چطور؟ فولاد متراکم‌تر از آب است و کشتی‌های باری که صدها هزار تن بار دارند، باید غرق شوند، نه؟ این اتفاق نمی‌افتد. علت چیست؟

جسمی که به‌طور کامل از فولاد ساخته شده باشد، در آب غرق می‌شود، اما کشتی‌ها فقط از فولاد تشکیل نشده‌اند. آن‌ها با انواع دیگری از مواد ازجمله هوا پر شده‌اند که آن‌ها را شناور نگه می‌دارد.

چگالی متوسط ​​کشتی با احتساب هوای درون آن کمتر از چگالی آب است، بنابراین نیروی رو به بالا بیشتر از نیرویی است که آن را به سمت کف اقیانوس می‌کشاند و کشتی شناور می‌ماند.

اگر کشتی به وزن ۱۰۰ هزار تن را در آب قرار دهید، کشتی تا جایی در آب فرو می‌رود که ۱۰۰ هزار تن آب را جا‌به‌جا کند. همان‌طور که کشتی را با اجسام چگال‌تر از آب پر می‌کنید، کشتی بیشتر در آب فرو می‌رود تا وزن جدید را جا‌به‌جا کند. با‌این‌حال، اگر هوایی را که شما را شناور نگه می‌دارد، با اجسام چگال عوض کنید، درنهایت کشتی غرق شده و به میخ ملحق می‌شود.