การลอยตัวในน้ำเกลือกับน้ำจืดสำหรับการดำน้ำ

2024 ผู้เขียน: Cyrus Reynolds | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-02-09 10:31

วัตถุลอยน้ำได้ในน้ำเกลือมากกว่าน้ำจืด แต่ทำไม? การลอยตัวของวัตถุถูกกำหนดโดยแรงสองแรง:

• แรงลง: เท่ากับน้ำหนักของวัตถุ
• กำลังขึ้น: เท่ากับน้ำหนักของน้ำที่วัตถุเคลื่อนที่ (ซึ่งเรียกว่าหลักการของอาร์คิมิดีส)

แรงขึ้นและลงทำงานตรงข้ามกัน ผลของแรงเหล่านี้ วัตถุจะลอย จม หรือคงลอยอยู่ในน้ำ การลอยตัวของวัตถุสามารถอธิบายได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสามวิธี:

• ลอยตัวในเชิงลบ: น้ำหนักของวัตถุมากกว่าน้ำหนักของน้ำที่มันแทนที่ วัตถุจะจม
• ลอยตัวในเชิงบวก: น้ำหนักของวัตถุน้อยกว่าน้ำหนักของน้ำที่มันแทนที่ วัตถุจะลอยได้
• ลอยตัวเป็นกลาง: น้ำหนักของวัตถุเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่มันแทนที่พอดี วัตถุจะยังคงลอยอยู่กลางน้ำและจะไม่ลอยหรือจม

น้ำเกลือมีน้ำหนักมากกว่าน้ำจืด

น้ำเค็ม 1 ลูกบาศก์ฟุต (โดยเฉลี่ย) 64.1 ปอนด์ ในขณะที่น้ำจืด 1 ลูกบาศก์ฟุตมีน้ำหนักเพียง 62.4 ปอนด์ สาเหตุที่ความแตกต่างของน้ำหนักคือน้ำเกลือมีเกลือละลายอยู่

การละลายเกลือในน้ำจะเพิ่มความหนาแน่นของน้ำหรือมวลต่อหน่วยปริมาตร เมื่อเติมเกลือลงในน้ำ มันจะทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำ ทำให้เกิดพันธะกับน้ำ ซึ่งจะจัดเรียงโมเลกุลของเกลือและน้ำให้มีลักษณะผิดปกติ:

เกลือหนึ่งลูกบาศก์นิ้วที่เติมลงในปริมาตรน้ำจะไม่เพิ่มปริมาตรของน้ำหนึ่งลูกบาศก์นิ้ว คำอธิบายง่ายๆ ก็คือ โมเลกุลของน้ำจะพันกันแน่นรอบโมเลกุลของเกลือ ซึ่งบีบให้ชิดกันมากกว่าที่เกิดขึ้นเมื่อไม่มีเกลือ เมื่อเติมเกลือหนึ่งลูกบาศก์นิ้วลงในปริมาตรของน้ำ ปริมาณของน้ำจะเพิ่มขึ้นน้อยกว่าลูกบาศก์นิ้ว

น้ำเกลือ 1 ลูกบาศก์ฟุตมีโมเลกุลมากกว่าน้ำจืด 1 ลูกบาศก์ฟุต ดังนั้นจึงมีน้ำหนักมากกว่า

จำได้ว่าหลักการของอาร์คิมิดีสกล่าวว่าแรงที่พุ่งขึ้นบนวัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำนั้นเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่มันถูกแทนที่ น้ำเกลือมีน้ำหนักมากกว่าน้ำจืด ดังนั้นจึงออกแรงมากขึ้นบนวัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำ วัตถุที่แทนที่น้ำจืด 1 ลูกบาศก์ฟุตจะมีแรงขึ้น 62.4 ปอนด์ ในขณะที่วัตถุเดียวกันในน้ำเกลือจะมีแรงขึ้น 64.1 ปอนด์

เปลี่ยนระหว่างน้ำจืดกับน้ำเค็ม

ณ จุดนี้ เป็นไปได้ที่จะทำการคาดคะเนทั่วไปเกี่ยวกับการลอยตัวของวัตถุ (หรือของนักประดาน้ำ) เมื่อย้ายจากน้ำจืดไปเป็นน้ำเค็มและในทางกลับกัน พิจารณากรณีต่อไปนี้:

• วัตถุลอยตัวเป็นกลางในน้ำจืดจะลอยได้เมื่อใส่ในน้ำเกลือ ในน้ำจืด น้ำหนักของวัตถุจะเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่มันถูกแทนที่ และแรงขึ้นและลงของวัตถุจะเท่ากัน เมื่อวัตถุถูกย้ายไปที่น้ำเค็ม น้ำหนักของน้ำที่วัตถุจะถูกแทนที่จะเพิ่มขึ้น และแรงขึ้นจะมากกว่าแรงลง วัตถุจะลอยตัวในน้ำเกลือในเชิงบวก
• วัตถุที่ลอยตัวเป็นกลางในน้ำเกลือจะจมเมื่อนำไปแช่ในน้ำจืด ในน้ำเกลือน้ำหนักของวัตถุจะเท่ากับน้ำหนักของน้ำพอดี ว่ามันเคลื่อนที่และแรงขึ้นและลงของวัตถุมีค่าเท่ากัน เมื่อวัตถุถูกย้ายไปยังน้ำจืด น้ำหนักของน้ำที่วัตถุจะถูกแทนที่จะลดลง และแรงกดลงบนวัตถุจะมากกว่าแรงขึ้น วัตถุจะลอยตัวในน้ำจืด
• วัตถุที่ลอยตัวทางลบหรือทางบวกในน้ำเกลือจะลอยตัวในเชิงลบมากขึ้นเมื่อใส่ในน้ำจืด แต่เราไม่สามารถคาดเดาได้ว่ามันจะจมหรือลอยโดยไม่มีข้อมูลเพิ่มเติมวัตถุจะได้รับแรงในน้ำจืดน้อยกว่าในน้ำเกลือ และจะลอยตัวได้น้อยกว่าในน้ำจืด อย่างไรก็ตาม ในการพิจารณาว่าวัตถุจะจมหรือลอย จำเป็นต้องทราบน้ำหนักที่แน่นอนของวัตถุและน้ำหนักที่แน่นอนของน้ำที่วัตถุจะเคลื่อนที่ไป
• วัตถุที่ลอยตัวทางลบหรือทางบวกในน้ำจืดจะลอยตัวในทางบวกมากขึ้นเมื่อใส่ในน้ำเกลือ แต่เราไม่สามารถคาดเดาได้จะจมหรือลอยโดยไม่มีข้อมูลเพิ่มเติม วัตถุจะได้รับแรงขึ้นในน้ำเกลือที่แรงกว่าในน้ำจืด และจะลอยตัวได้ในน้ำเกลือ อย่างไรก็ตาม ในการพิจารณาว่าวัตถุจะจมหรือลอย จำเป็นต้องทราบน้ำหนักที่แน่นอนของวัตถุและน้ำหนักที่แน่นอนของน้ำที่วัตถุจะเคลื่อนที่ไป

ชั่งน้ำหนักนักดำน้ำ

เป็นที่ชัดเจนว่านักประดาน้ำจะลอยตัวได้ดีในน้ำเกลือมากกว่าที่จะอยู่ในน้ำจืด และจะต้องปรับน้ำหนักให้เหมาะสม นักประดาน้ำจะต้องแบกน้ำหนักในน้ำเกลือมากกว่าที่เขาจะต้องแบกในน้ำจืด ปริมาณน้ำหนักที่นักประดาน้ำต้องบรรทุกจะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงมวลกาย การป้องกันแสง ประเภทของแทงค์ที่บรรทุก และอุปกรณ์ดำน้ำ

เข็มขัดน้ำหนักของนักประดาน้ำเป็นเพียงส่วนน้อยของน้ำหนักรวมของเขา น้ำหนักตัว แทงค์ และอุปกรณ์ดำน้ำของเขามีส่วนทำให้น้ำหนักของเขาและแรงกดลงบนร่างกายของเขาด้วย นักประดาน้ำมักจะเปลี่ยนเว็ทสูท (หรือดรายสูท) และอุปกรณ์อื่นๆ เมื่อเปลี่ยนสถานที่ดำน้ำ และแรงขึ้นของนักประดาน้ำอาจแตกต่างกันไปตามปัจจัยเหล่านี้ เช่นเดียวกับประเภทของน้ำ

เป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนักที่จำเป็นสำหรับนักประดาน้ำแต่ละคนโดยไม่ทราบการเคลื่อนตัวของน้ำ น้ำหนักรวม และความเค็มของน้ำที่เขาจะดำน้ำ วิธีที่ง่ายที่สุดสำหรับนักประดาน้ำในการกำหนดน้ำหนักที่เหมาะสมคือ ทำการทดสอบการลอยตัวทุกครั้งที่สลับไปมาระหว่างน้ำจืดกับน้ำเค็ม และเมื่อใดก็ตามที่เขาเปลี่ยนอุปกรณ์ดำน้ำของเขา อย่างไรก็ตาม ให้ปัจจัยทั้งหมดยังคงเหมือนเดิม ยกเว้นประเภทน้ำ นักประดาน้ำอาจต้องเพิ่มน้ำหนักเกือบสองเท่าเมื่อเปลี่ยนจากน้ำจืดเป็นน้ำเค็ม หรือลดลงครึ่งหนึ่งเมื่อเปลี่ยนจากเกลือเป็นน้ำจืด

ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติม

เพื่อให้เรื่องซับซ้อนมากขึ้น ความเค็มของน้ำเกลือแตกต่างกันไปทั่วโลก แหล่งน้ำบางแห่งอาจเค็มกว่าแหล่งอื่นๆ แน่นอน นักประดาน้ำจะลอยตัวได้ดีขึ้นในน้ำเค็ม น้ำหนักเฉลี่ยของน้ำเกลือ 1 ลูกบาศก์ฟุตคือ 64.1 ปอนด์ แต่ในทะเลเดดซี น้ำ 1 ลูกบาศก์ฟุตมีน้ำหนักประมาณ 77.3 ปอนด์! นักประดาน้ำจะลอยอยู่ในทะเลเดดซีอย่างมีนัยสำคัญ

อุณหภูมิก็มีผลต่อความหนาแน่นของน้ำเช่นกัน น้ำเย็นจะหนาแน่นกว่าน้ำอุ่น น้ำถึงความหนาแน่นสูงสุดที่ประมาณ 39.2° F และนักประดาน้ำที่เสี่ยงภัยในน้ำเย็นจัดอาจสังเกตเห็นว่าเขาลอยตัวในเชิงลบมากกว่าน้ำอุ่นเล็กน้อย

จุดดำน้ำหลายแห่งต้องการนักประดาน้ำเพื่อเคลื่อนผ่านชั้นของอุณหภูมิน้ำที่แตกต่างกัน (thermoclines) หรือชั้นของความเค็มที่แตกต่างกัน (haloclines) นักประดาน้ำที่เคลื่อนที่ระหว่างชั้นเหล่านี้จะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงในการลอยตัว

วัตถุ (เช่น นักดำน้ำ) จะลอยตัวในน้ำเกลือมากกว่าในน้ำจืด การคาดการณ์การลอยตัวของนักประดาน้ำต้องรู้น้ำหนักรวมของเขา รวมทั้งเกียร์ และน้ำหนักของน้ำที่เขาเปลี่ยน การตรวจสอบการลอยตัวก่อนดำน้ำทำได้ง่ายกว่าการพยายามกำหนดปริมาณน้ำหนักที่นักประดาน้ำควรบรรทุกทางคณิตศาสตร์ นอกจากนี้ นักประดาน้ำที่ใช้ถังอลูมิเนียมจะต้องชั่งน้ำหนักตัวเองเพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงการลอยตัวของถังระหว่างการดำน้ำ ถังอลูมิเนียมจะลอยตัวในเชิงบวกมากขึ้นเมื่อว่างเปล่า