Maar even tussendoor: waarom zinken grote, zware schepen niet?


Tenzij door een vergissing, zinken schepen niet in het water. Zelfs de zware, grote types niet. Af en toe stellen leerboeken dat het komt door een verschil in dichtheid. Hoewel niet onjuist, is het niet de fundamentele oorzaak. Schepen mogen dan soms naar de bodem verdwijnen door de zwaartekracht, ze drijven ook dankzij de zwaartekracht.


Als een vaartuig te water wordt gelaten, zinkt het altijd een beetje onder het oppervlak totdat het stopt, bij voorkeur op een veilige afstand van waar mensen doorgaans uithangen. Omdat het, in dit universum, onmogelijk is voor water om op hetzelfde moment dezelfde plek in de ruimte in beslag te nemen als het ondergedompelde deel van een scheepsromp, is het volume van dit gedeelte even groot als het volume van het door de romp weggedrukte water. Dit heeft als gevolg dat het wateroppervlak een beetje stijgt. Omdat de meeste wateren enorm groot zijn, is die stijging niettemin onmerkbaar.

Ondanks deze normaal gesproken onbeduidende toename, ’trekt’ de zwaartekracht nog steeds ieder kubiek stukje van het gestegen water aan, wat vervolgens een drukkracht uitoefent op het schip. De kracht uitgeoefend door het gewicht van het verplaatste water is gelijk aan de opwaartse drukkracht op de bodem van het schip. Dit wordt de Wet van Archimedes genoemd.

Met andere woorden, terwijl het gewicht van het schip een kracht op het water uitoefent als gevolg van de zwaartekracht, oefent het water om het schip heen op zijn beurt een drukkracht uit op het schip, ook als gevolg van de zwaartekracht. Die laatste is aan het handje drukken tegen zichzelf, als het ware.

Zolang de opwaartse drukkracht even groot is als de kracht van het gewicht van het schip, is er niets aan de hand. Overigens, is het zeker zo dat de druk ook krachten uitoefent op de zijkanten van het schip, maar die vallen tegen elkaar weg omdat ze met gelijke sterkte in elkaars tegenovergestelde richting werken, dus die strepen we weg uit de vergelijking.

De truc is uiteraard om de vorm van de scheepsromp zodanig te ontwerpen dat zijn ondergedompelde volume een hoeveelheid water verplaatst dat net zoveel weegt als het schip. Deze ontwerpkeuzes beïnvloeden de verhouding tussen zijn massa en zijn volume. En dit is waarom regelmatig wordt verwezen naar dichtheid, vaak gepaard gaand met wat slimme algebra. Hoewel niet fundamenteel, is dichtheid een nuttig en hanteerbaar kenmerk voor fenomenen op aarde, zoals het leveren van een verklaring voor waarom olie op water drijft en niet andersom.

Totdat je niet langer op aarde bent, maar bijvoorbeeld op het internationale ruimtestation ISS. Kijk maar eens wat er gebeurt als je olie en water bij elkaar doet, zonder zwaartekracht.

Figuur (1) toont een massa dat op het punt staat te water te worden gelaten. De hoogte van het wateroppervlak is aangegeven met een streepjeslijn. In Figuur 2 is de massa gedeeltelijk ondergedompeld, waardoor er een bepaald volume aan water omhoog wordt verplaatst aan weerszijden van de massa. De grijze pijl symboliseert (de kracht van) het gewicht van de massa. De twee blauwe, neerwaartse pijlen staan voor (de kracht van) het gewicht van het verplaatste watervolume. Deze laatsten veroorzaken een opwaartse druk op de bodem van de massa, zoals weergegeven door de twee blauwe, opwaartse pijlen op onderkant van de massa. Merk op hoe de som van de lengte van de opwaartse pijlen gelijk is aan de lengte van de grijze pijl: de massa drijft.

Uiteraard oefent de luchtdruk ook een extra kracht uit op het schip, maar dat doet het ook op het wateroppervlak. Om het bovendien simpel te houden, hebben we die daarom verder buiten beschouwing gelaten.