کشتی سنگین چطور روی آب شناور می‌ماند؟

کشتی سنگین روی آب می‌ماند، چون بدنهٔ توخالی‌اش آن‌قدر آب جابه‌جا می‌کند که نیروی شناوری با وزنش برابر شود. این مقاله توضیح می‌دهد شناوری و چگالی چیست، اصل ارشمیدس چطور کار می‌کند، چرا شکل بدنه مهم است، آب شور چه اثری دارد، کشتی چرا واژگون نمی‌شود، زیردریایی چطور فرو می‌رود و بالا می‌آید و در قایق و دریا چطور ایمن بمانیم.

۱. چرا بعضی چیزها شناورند و بعضی غرق می‌شوند؟

اگر میخ آهنی را در آب بیندازید، فرو می‌رود، ولی یک کشتی از جنس همان فولاد چندین هزار تن وزن دارد و شناور می‌ماند. این تناقض ظاهری یکی از پرسش‌های قدیمی است. برای پاسخ، باید به‌جای وزن به چگالی نگاه کرد. چگالی یعنی جرم هر واحد حجم و نشان می‌دهد ماده چقدر فشرده است.

آب حدود هزار کیلوگرم در هر متر مکعب چگالی دارد. فولاد حدود هشت برابر آب چگالی دارد. چوب و یخ از آب سبک‌ترند و شناور می‌شوند، ولی سنگ و فلز از آن چگال‌ترند و فرو می‌روند. قاعدهٔ ساده این است که جسم توپر با چگالی بیشتر از آب غرق و جسمی با چگالی کمتر شناور می‌شود.

اما این قاعده فقط برای جسم یکپارچه و توپر است. کشتی توپر نیست؛ بدنهٔ آن مثل ظرف بزرگی است که بیشتر درونش هوا دارد. چگالی میانگین کشتی، یعنی جرم کل تقسیم بر حجم کل، از آب کمتر است. بنابراین وقتی فولاد و هوا را با هم حساب کنیم، کشتی «سبک‌تر» از آب است و شناور می‌ماند.

ولی توضیح کامل به نیرویی نیاز دارد که جسم را بالا می‌راند. این نیرو شناوری نام دارد و در بخش بعد توضیح داده می‌شود. هر جسم در آب تحت دو نیرو است: وزن که به پایین می‌کشد و شناوری که به بالا هل می‌دهد. برنده تعیین می‌کند که جسم غرق شود، معلق بماند یا بالا بیاید.

۲. نیروی شناوری از کجا می‌آید؟

فشار آب با عمق زیاد می‌شود. هر چه پایین‌تر بروید، آب بیشتری روی شما فشار می‌آورد. بنابراین فشار روی سطح زیرین جسم، که عمیق‌تر است، بیشتر از فشار روی سطح بالایی آن است. این اختلاف فشار نیروی خالصی به سمت بالا ایجاد می‌کند که همان نیروی شناوری است. نیروی شناوری از ماهیت فشار آب می‌آید.

ارشمیدس، دانشمند یونانی، بیش از دو هزار سال پیش اندازهٔ این نیرو را بیان کرد: نیروی شناوری برابر وزن آبی است که جسم کنار می‌زند. اگر جسم دو لیتر آب را جابه‌جا کند، نیروی شناوری به اندازهٔ وزن دو لیتر آب است. بلوک زیر این حساب را با عددهای فرضی نشان می‌دهد. این اصل را اصل ارشمیدس می‌نامند.

rho = 1000      # water density, kg/m3
g = 9.81
volume = 2.0    # displaced volume, m3
force = rho * g * volume
print(force, 'N')   # 19620.0 N

حالا می‌توان گفت جسم چه زمانی شناور می‌شود. اگر وزن جسم کمتر از وزن آبی باشد که با فرورفتن کامل کنار می‌زند، شناوری بیشتر از وزن است و جسم بالا می‌آید. جسم به اندازه‌ای فرو می‌رود که وزن آب جابه‌جاشده با وزن خودش برابر شود و در آن نقطه آرام می‌گیرد. کشتی هم همین‌طور تا خط آبش در آب فرو می‌رود.

این اصل نه‌فقط برای کشتی، که برای بالون هوایی و ماهی هم صادق است. بالون هوا را جابه‌جا می‌کند و چون گاز داخلش سبک‌تر است، بالا می‌رود. ماهی‌ها با کیسهٔ شنا حجم بدن را تنظیم می‌کنند تا در عمق دلخواه معلق بمانند. حتی بدن شما در آب سبک‌تر حس می‌شود، چون آب بخشی از وزن را تحمل می‌کند.

۳. چرا شکل بدنهٔ کشتی مهم است؟

برای آنکه جسم شناور شود، باید آب کافی کنار بزند. اگر یک ورق فولاد را صاف در آب بیندازید، فرو می‌رود، چون فقط حجم کمی از آب را جابه‌جا می‌کند. اما اگر همان ورق را به شکل جعبه یا کاسه درآورید، حجم بیشتری از آب را کنار می‌زند و نیروی شناوری بیشتر می‌شود. شکل بدنه همین کار را می‌کند.

کشتی با بدنهٔ توخالی و پهن حجم زیادی از آب را جابه‌جا می‌کند. هرچه کشتی بیشتر بار بگیرد، بیشتر فرو می‌رود تا آب بیشتری کنار برود و وزن اضافه را متعادل کند. اگر بار از حدی بیشتر شود، بدنه به لبه‌های بالایی می‌رسد و آب وارد می‌شود. به همین دلیل برای هر کشتی حداکثر بار مجاز تعیین می‌شود.

«کشتی فولاد نیست؛ فولاد و هوایی است که درون آن محبوس شده. چگالی میانگین این ترکیب از آب کمتر است و به همین دلیل شناور می‌ماند.»

می‌توانید این را با آزمایشی ساده ببینید. دو تکه ورق آلومینیومی مشابه بردارید، یکی را مچاله و گلوله کنید و دیگری را مثل قایق کوچکی تا کنید. گلوله در آب فرو می‌رود ولی قایق شناور می‌ماند و حتی می‌تواند چند سکهٔ سبک را حمل کند. جرم ورق‌ها یکی است و فقط شکل تفاوت دارد. بدنه مهم‌ترین عامل است.

در این آزمایش، اگر سکه‌های بیشتری روی قایق بگذارید، لبهٔ آن به آب نزدیک‌تر می‌شود تا وقتی آب از لبه وارد شود و قایق غرق شود. این تجربهٔ کوچک مفهوم بار مجاز کشتی را نشان می‌دهد. برای ایمنی، آزمایش را در ظرف آب انجام دهید و بر کودکان نظارت داشته باشید. اگر ظرف بزرگ بر سطح ناپایدار قرار دارد، جای محکمی انتخاب کنید.

۴. آب شور و شیرین چه فرقی دارند؟

چگالی آب همیشه یکسان نیست. آب دریا چون نمک دارد، چگال‌تر از آب شیرین است و حدود دو تا سه درصد بیشتر وزن دارد. بنابراین آب شور نیروی شناوری بیشتری به جسم می‌دهد و آسان‌تر می‌توان روی آن شناور ماند. همین دلیل است که شنا در دریا ساده‌تر از استخر شیرین به نظر می‌رسد و آدم‌ها راحت‌تر روی آب می‌مانند.

این اثر در آب‌های بسیار شور شدیدتر است. در دریاچه‌هایی مانند دریاچهٔ ارومیه، که شوری آن در بعضی سال‌ها بسیار بالا بوده، یا دریای مرده، آدم تقریباً بدون تلاش روی آب می‌ماند. شوری به دما، فصل و مقدار آب ورودی بستگی دارد و در طول سال تغییر می‌کند. بنابراین عدد شوری هر دریاچه را باید از منابع رسمی و تازه جست‌وجو کرد.

برای کشتی‌ها این تفاوت اهمیت عملی دارد. وقتی کشتی از دریا وارد رودخانه یا بندر آب شیرین می‌شود، کمی بیشتر فرو می‌رود چون باید آب بیشتری کنار بزند. به همین دلیل روی بدنهٔ کشتی‌ها علامتی به نام خط بارگیری یا خط پلیمسول نقش بسته است. این علامت‌ها حداکثر فرورفتگی مجاز در آب شیرین، آب گرمسیری و فصل‌ها و دریاهای مختلف را نشان می‌دهند.

دما هم بر چگالی اثر دارد. آب گرم کمی سبک‌تر است. در خلیج فارس که گرم و شور است، ترکیب این دو عامل بر شناوری و بارگیری اثر می‌گذارد و مسئولان بندری و ناخداها آن را در محاسبات لحاظ می‌کنند. این نکته‌ها ساده به نظر می‌رسد، ولی بی‌توجهی به آن‌ها در گذشته ضررهای سنگین داشته است و به همین دلیل استاندارد شده‌اند.

۵. چرا کشتی‌ها واژگون نمی‌شوند؟

شناور بودن کافی نیست؛ کشتی باید پایدار هم باشد. پایداری یعنی اگر موج یا باد کشتی را کج کند، دوباره راست شود. دو نقطه در این بحث مهم‌اند: مرکز ثقل که نقطهٔ اثر وزن است و مرکز شناوری که نقطهٔ اثر نیروی شناوری است. وقتی کشتی کج می‌شود، مرکز شناوری جابه‌جا می‌شود و این تغییر ممکن است کشتی را راست کند.

اگر مرکز ثقل به‌اندازهٔ کافی پایین باشد، هنگام کج شدن، نیروی شناوری و وزن زوجی می‌سازند که کشتی را به حالت اول برمی‌گرداند. این را گشتاور بازگرداننده می‌نامند. به همین دلیل کشتی‌ها را با وزنه‌های سنگین در پایین، مثل موتور، مخازن و بار سنگین در طبقات پایین طراحی می‌کنند. ایستادن روی قایق کوچک چون مرکز ثقل را بالا می‌برد، خطرناک است.

بسیاری از حادثه‌های دریایی از جابه‌جایی بار یا ورود آب به بدنه آمده‌اند. اگر بار سنگین در عرشه گذاشته شود، یا بار در طوفان از جای خود حرکت کند، مرکز ثقل بالا یا جابه‌جا می‌شود و پایداری کم می‌شود. همچنین آب آزاد در مخازن و انبارها، چون با کج‌شدن کشتی به یک سمت می‌رود، اثر خطرناکی دارد. به همین دلیل، بارگیری و بستن بار قواعد دقیق دارد.

چند اصل ساده برای قایق‌های کوچک وجود دارد. ظرفیت مجاز قایق را رعایت کنید، وزن را متقارن پخش کنید، ناگهان روی قایق بلند نشوید و در هوای طوفانی به دریا نروید. اطلاع از وضعیت جوی پیش از حرکت از مهم‌ترین مراقبت‌هاست و می‌تواند جان انسان‌ها را نجات دهد. فهرست زیر این اصول را خلاصه می‌کند.

• ظرفیت و بار مجاز قایق را رعایت کنید
• وزن را متقارن و پایین نگه دارید
• روی قایق کوچک ناگهان بلند نشوید
• پیش از حرکت وضعیت دریا و باد را بررسی کنید

۶. زیردریایی چطور غوطه‌ور می‌شود و بالا می‌آید؟

زیردریایی ماشین ویژه‌ای است که می‌تواند عمداً فرو برود و دوباره بالا بیاید. راز آن تغییر چگالی میانگین است. بدنهٔ مقاوم و مخازن بزرگی به نام مخزن توازن دارد. وقتی مخازن پر از هوا باشند، زیردریایی سبک‌تر از آب است و روی سطح می‌ماند. اگر به‌جای هوا آب وارد مخازن شود، سنگین‌تر می‌شود و فرو می‌رود.

برای غوطه‌ور شدن، دریچه‌های مخازن باز می‌شود و آب داخل می‌آید و هوا بیرون می‌رود. وقتی زیردریایی چنان سنگین شد که چگالی آن با آب برابر شود، معلق می‌ماند و نه بالا می‌رود و نه پایین. این حالت را شناوری خنثی می‌نامند. با دقت در مقدار آب مخزن، فرمانده عمق دلخواه را تنظیم می‌کند و با بالچه‌ها زاویهٔ حرکت را کنترل می‌کند.

برای بالا آمدن، هوای فشرده را از مخازن هوا به مخزن توازن می‌دهند و آب را بیرون می‌رانند. زیردریایی سبک می‌شود و بالا می‌آید. مسئلهٔ دشوار ثابت نگه‌داشتن عمق است، چون هر تغییر کوچک چگالی آب، مثل ورود به لایه‌ای با دمای متفاوت، نیروی شناوری را عوض می‌کند. پس سامانه‌های کنترلی دقیق لازم است.

دلیل دیگر دقت، فشار آب است که با عمق به‌شدت زیاد می‌شود. بدنهٔ زیردریایی باید در برابر این فشار مقاوم باشد. هر نشتی در عمق می‌تواند خطرناک باشد. علاوه بر زیردریایی، ربات‌های زیرآبی و گلایدرهای اقیانوس‌شناسی هم از همین اصل تغییر چگالی برای حرکت در عمق استفاده می‌کنند و بدون سوخت زیاد ماه‌ها در دریا می‌مانند.

۷. غرق‌شدن؛ وقتی تعادل شناوری از دست می‌رود

کشتی زمانی غرق می‌شود که وزنش بیش از نیروی شناوری ممکن شود، یعنی وقتی آب وارد بدنه شود و حجم هوای داخل کم شود. با ورود آب، وزن کشتی بالا می‌رود و بدنه بیشتر فرو می‌رود تا آب بیشتری کنار بزند. اگر این روند ادامه یابد و بدنه به حد معینی برسد، دیگر نمی‌تواند خود را نگه دارد و کشتی غرق می‌شود. علل اصلی را در فهرست زیر می‌بینید.

• بارگیری بیش از حد و توزیع نادرست بار
• ورود آب از شکاف بدنه، برخورد یا دریچهٔ باز
• طوفان، موج بلند و پایداری ناکافی
• نبود محفظهٔ آب‌بند یا بسته‌نبودن درها

برای مقابله، کشتی‌های بزرگ بدنه را به بخش‌های جدا از هم به نام محفظهٔ آب‌بند تقسیم می‌کنند. اگر یک بخش آسیب ببیند و پر از آب شود، بقیه سالم می‌مانند و کشتی شناور می‌ماند. تعداد محفظه‌هایی که کشتی می‌تواند از دست بدهد و باز شناور بماند، بخشی از طراحی و استانداردهای ایمنی است. این فکر پس از حادثه‌های بزرگ در طراحی کشتی‌ها جدی‌تر شد.

فاجعهٔ تایتانیک در سال هزار و نهصد و دوازده درس‌های مهمی داشت. کشتی پس از برخورد با کوه یخ فرو رفت و بسیاری جان باختند. بررسی‌ها نشان داد که آسیب در طول بدنه پخش شد و تعداد محفظه‌های آب‌گرفته از ظرفیت طراحی بیشتر بود، و تعداد قایق نجات هم برای همهٔ مسافران کافی نبود. پس از آن مقررات ایمنی دریایی به‌شدت تقویت شد.

امروز هم غرق‌شدن‌ها پیش می‌آید، معمولاً به علت بارگیری بیش از حد، پایداری ناکافی، طوفان یا خطای انسانی. در قایق‌های کوچک، پر شدن آب یا واژگونی خطر اصلی است. در حادثه، به‌جای ترک نابجای قایق، آرام بمانید، جلیقهٔ نجات بپوشید و از دستور ناخدا پیروی کنید. قایقی که واژگون شده معمولاً شناور می‌ماند و بهتر است به آن متصل بمانید تا نجات برسد.

۸. ایمنی در قایق و لباس نجات

اگر در دریا، دریاچه یا رودخانه قایق‌سواری می‌کنید، جلیقهٔ نجات مناسب بپوشید، نه فقط آن را همراه ببرید. جلیقه باید اندازه و استاندارد مناسب داشته باشد و بسته شود. کودکان و کسانی که شنا بلد نیستند باید همیشه آن را بپوشند. در حادثه، گاهی زمان کافی برای پوشیدن جلیقه وجود ندارد و کسی که پوشیده است شانس بیشتری دارد.

آب سرد خطر ویژه‌ای دارد. افتادن ناگهانی در آب سرد می‌تواند شوک سرما ایجاد کند: تنفس تند و غیرقابل کنترل که ممکن است به استنشاق آب منجر شود. توصیه این است که ابتدا آرام شوید، به پشت بخوابید و نفس‌ها را عادی کنید و سپس اقدام کنید. در دریای خزر و آب‌های کوهستانی، حتی در تابستان، دما ممکن است خطرناک باشد.

پیش از حرکت، هوا و وضعیت دریا را بررسی کنید و به کسی خبر دهید کجا می‌روید و چه زمانی برمی‌گردید. از رفتن در طوفان، موج بلند و باد شدید بپرهیزید. وسایل ایمنی مثل پمپ آب، طناب، چراغ و وسیلهٔ ارتباطی همراه داشته باشید. از مصرف الکل هنگام قایق‌سواری بپرهیزید، چون قضاوت و تعادل را مختل می‌کند و غرق‌شدن‌ها اغلب با آن همراه‌اند.

اگر کسی در آب افتاد یا نزدیک است غرق شود، سریعاً کمک بخواهید و با ۱۱۵ تماس بگیرید. تا حد امکان از ساحل یا قایق به او طناب، حلقه یا شیء شناور بدهید و خودتان وارد آب نشوید مگر آموزش دیده باشید، چون نجات‌دهنده‌ها هم گاهی قربانی می‌شوند. فرد نجات‌یافته را حتی اگر بهتر به نظر می‌رسد، برای ارزیابی پزشکی ببرید.