Lyftkraft
Lyftkraft är en tryckeffekt. Trycket på ett nedsänkt föremåls undersida är vanligen större än på ovansidan, så tryckkrafterna ger en nettokraft uppåt. Arkimedes princip sammanfattar detta i en enkel regel.
Arkimedes princip
FB = ρfluid g Vundanträngt. Lyftkraften är lika stor som tyngden av undanträngd fluid. För ett helt nedsänkt föremål är volymen dess yttre volym; för ett flytande föremål räknas bara den nedsänkta delen.
Lyftkraften uppstår ur tryckgradienten. Undersidan av ett nedsänkt föremål ligger normalt vid högre tryck än ovansidan; summan av alla tryckkrafter på ytan ger därför en nettokraft uppåt. Integrerat över hela ytan blir resultatet exakt tyngden av den undanträngda fluiden.
Flyta, sjunka eller sväva neutralt
Jämför föremålets medeldensitet med fluidens. Lägre densitet gör flytning möjlig, högre densitet ger sjunkning och samma densitet kan ge neutral flytkraft.
För ett homogent flytande föremål gäller Vsub/V = ρföremål/ρfluid.
Flyter eller sjunker?
Varför ett stålfartyg kan flyta
Massivt stål är tätare än vatten, men ett fartyg är till stor del ihåligt. Det är hela fartygets medeldensitet, inklusive luftvolymen, som avgör. Skrovet kan undantränga tillräckligt mycket vatten för att dess tyngd ska balansera fartygets tyngd.
Ubåtar ändrar medeldensiteten med ballasttankar.
Ett flytande föremål sjunker ned tills lyftkraften är lika stor som dess tyngd. Extra last betyder inte att lyftkraften försvinner: föremålet ligger djupare och tränger undan mer fluid tills en ny jämvikt nås.
Skenbar tyngd
När ett nedsänkt föremål hålls av en kraftmätare blir avläsningen i vila ofta T = mg − FB. Den verkliga tyngdkraften har inte minskat; fluiden står för en del av stödet uppåt.
Vad ändras med djupet?
För ett stelt helt nedsänkt föremål i en inkompressibel vätska med konstant densitet är lyftkraften ungefär oberoende av djupet. Både topp- och bottentryck ökar men skillnaden förblir kopplad till ρg och föremålets höjd.
I gaser eller för kompressibla föremål kan densitet och volym däremot ändras med djupet.
Även gaser ger lyftkraft. En heliumballong stiger när den undanträngda luften väger mer än helium och ballonghölje tillsammans; helium har ingen “negativ tyngd”.
Lösta exempel
Helt nedsänkt block
V = 0,020 m³ i vatten.
Lösning
FB = 1000 × 9,81 × 0,020 = 196 N uppåt.
Nedsänkt andel
Trä med 650 kg m⁻³ flyter i sötvatten.
Lösning
Vsub/V = 650/1000 = 0,65, alltså 65%.
Skenbar tyngd
10 kg, V = 0,0040 m³, helt under vatten.
Lösning
mg = 98,1 N; FB = 39,2 N; T = 58,9 N.