ציפה וכוח הציפה.

שלב 1 מתוך 10

צפיפות

זרקו למים פקק, חלוק אבן וקוביית קרח. הפקק מיטלטל גבוה, הקרח צף נמוך ורובו מתחת למים, והאבן יורדת ישר לקרקעית. בסצנה מכל מים וקובייה אחת, ואפשר לשנות את צפיפות הקובייה, את גודל הקובייה ואת הנוזל.

צפיפות היא המסה בכל יחידת נפח: $\rho = \dfrac{m}{V}$⁠. במים 1000 kg/m³, בשעם כרבע מזה, באורן כחצי, ובפלדה כמעט פי שמונה.

שלב 2 מתוך 10

עקרון ארכימדס

כל גוף בנוזל נדחף כלפי מעלה. הנוזל לוחץ חזק יותר ככל שיורדים, ולכן הדחיפה על הצד התחתון של הגוף חזקה מהדחיפה על הצד העליון. ההפרש הוא כוח כלפי מעלה, כוח הציפה. ארכימדס מצא כמה הוא גדול:

$F_b = \rho_{\text{liquid}} \, g \, V_{\text{under}}$$F_b =$$\rho_{\text{liquid}} \, g \, V_{\text{under}}$⁠

כוח הציפה שווה למשקל הנוזל שנדחק הצידה, הנוזל שהיה בנפח השקוע של הגוף. הצגת הכוחות על כבוי, והקובייה, הנוזל והגודל קבועים.

שלב 3 מתוך 10

איזה חלק מתחת למים

הצגת הכוחות על פועל עכשיו: החץ הכחול הוא כוח הציפה, והכתום הוא המשקל. הגוש הכחול מסמן את הנפח שהקובייה תפסה מהמים, והשכבה הכחולה היא כמה עלו המים. בשניהם אותו נפח.

קובייה פחות צפופה מהנוזל שוקעת רק עד שהנוזל שנדחק שוקל כמוה. אז הכוחות מאוזנים, והיא צפה. החלק מגובהה שמתחת לפני השטח הוא:

$\frac{V_{\text{under}}}{V} = \frac{\rho_{\text{obj}}}{\rho_{\text{liquid}}}$$\frac{V_{\text{under}}}{V} =$$\frac{\rho_{\text{obj}}}{\rho_{\text{liquid}}}$⁠

כאן קרח במי ים, שצפופים במעט ממים מתוקים בגלל המלח שבהם.

שלב 4 מתוך 10

קובייה גדולה יותר

עכשיו אורן במים מתוקים, וגודל הקובייה פתוח.

נסו: אחרי הניבוי בחרו שמן בישול בנוזל, וראו את הקובייה שוקעת עמוק יותר.

חזרה לניסוי ↑

שלב 5 מתוך 10

קובייה ששקעה

קובייה צפופה מהנוזל לא תוכל לדחוק מספיק נוזל כדי לאזן את משקלה, גם כשהיא שקועה כולה. היא שוקעת, והרצפה משלימה את מה שחסר. כאן קובייה של פלדה בצלע 8 cm, וכל השלושה קבועים.

שלב 6 מתוך 10

פלדה שצפה

ספינת פלדה צפה כי היא לא גוש של פלדה אלא קליפה חלולה מלאה אוויר, ולכן הספינה כולה פחות צפופה ממים. צוללת שוקעת ועולה כשהיא ממלאת מכלים במים או מרוקנת אותם באוויר. אבל אפשר לגרום גם לגוש מלא של פלדה לצוף.

שלב 7 מתוך 10

לשקול בעזרת מים

גוף שצף דוחק בדיוק את משקלו בנוזל. לכן אפשר לשקול אותו בלי מאזניים: מספיק לדעת כמה ממנו מתחת לפני המים.

שלב 8 מתוך 10

אורן בשמן

שמן צף על מים, כי הוא פחות צפוף מהם: 920 kg/m³. עכשיו הקובייה צפה בשמן בישול.

שלב 9 מתוך 10

המפלס עולה

המים שהקובייה דוחקת לא נעלמים: הם מרימים את המפלס בכל המכל. בהצגת הכוחות השכבה הכחולה למעלה היא המים שעלו.

שלב 10 מתוך 10

איזה נוזל?

אותו יחס עובד גם הפוך. אם יודעים כמה צפוף הגוף וכמה ממנו שקוע, אפשר לגלות כמה צפוף הנוזל. כך עובד מד צפיפות, צינור זכוכית משוקלל שצף בנוזל.