เรือเหล็กหนักหลายพันตันลอยน้ำได้อย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

เวลาเห็นเรือบรรทุกสินค้าลำใหญ่แล่นผ่าน แม้แต่สมอก็ดูหนักจนคนคนเดียวคงยกไม่ไหว แต่เรือทั้งลำกลับลอยอยู่บนน้ำได้ พอลองนึกถึงตะปูที่หล่นน้ำแล้วจมทันที ก็อดสงสัยไม่ได้ว่าเหล็กเหมือนกัน ทำไมถึงให้ผลต่างกัน

ความต่างไม่ได้อยู่ที่น้ำใต้เรือแข็งแรงกว่าน้ำในกะละมัง แต่อยู่ที่รูปร่าง ขนาด และพื้นที่ว่างภายในตัวเรือ ลองนึกถึงกะละมังโลหะที่ลอยน้ำได้ แม้เศษโลหะชิ้นเล็กจะจมลงไป

คำตอบคือ น้ำออกแรงพยุงเรือขึ้น และตัวเรือถูกออกแบบให้แทนที่น้ำได้มากพอ เมื่อแรงพยุงเท่ากับน้ำหนักรวมของเรือและสิ่งที่บรรทุก เรือจึงลอยอยู่ได้ หลักนี้เรียกว่า หลักของอาร์คิมิดีส

น้ำช่วยพยุงเรืออย่างไร

เมื่อหย่อนวัตถุลงน้ำ ส่วนที่จมลงไปจะเข้าไปแทนที่น้ำในบริเวณนั้น น้ำจะออกแรงดันต่อผิววัตถุจากหลายทิศทาง และเพราะแรงดันด้านล่างมากกว่าด้านบน จึงเกิดแรงลัพธ์ดันขึ้น เรียกว่าแรงพยุง

ตามหลักของอาร์คิมิดีส แรงพยุงมีขนาดเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่ถูกวัตถุแทนที่ ถ้าเรือลอยนิ่งอยู่ น้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่ก็จะเท่ากับน้ำหนักรวมของเรือ เช่น เรือพร้อมคนและสิ่งของมีมวลรวม 1,000 ตัน ก็ต้องแทนที่น้ำซึ่งมีมวลรวม 1,000 ตันเพื่อให้ลอยสมดุล

น้ำที่ถูกแทนที่ไม่ได้ต้องกระเด็นออกจากทะเลไปไหน เพียงแค่ส่วนที่จมของเรือเข้าไปกินพื้นที่ซึ่งเดิมเป็นของน้ำ ทำให้ระดับน้ำรอบ ๆ ปรับตัวขึ้นเล็กน้อย

ทำไมตะปูจม แต่เรือเหล็กลอย

ตะปูเป็นเหล็กชิ้นแน่น มีปริมาตรน้อยเมื่อเทียบกับน้ำหนัก เมื่อตะปูจมทั้งชิ้นแล้ว น้ำที่มันแทนที่ยังมีน้ำหนักน้อยกว่าตัวตะปู แรงพยุงจึงไม่พอรับน้ำหนัก มันเลยจมลงก้นน้ำ

ส่วนเรือไม่ได้เป็นเหล็กตันทั้งลำ ตัวเรือมีรูปร่างกว้างและมีช่องว่างภายในมาก เมื่อนับทั้งโครงเรือ อากาศ เครื่องยนต์ และสิ่งของรวมกันเทียบกับปริมาตรภายนอกของตัวเรือ ความหนาแน่นเฉลี่ยจึงต่ำพอให้เรือจมลงเพียงบางส่วนแล้วแทนที่น้ำได้มากพอรับน้ำหนัก

จะเห็นภาพง่ายขึ้นถ้าลองวางชามโลหะเปล่าลงในกะละมังน้ำ ชามสามารถลอยได้เพราะรูปทรงของมันช่วยแทนที่น้ำได้พอ แต่ถ้าเอาชามใบเดิมกดให้จมน้ำจนเต็มชาม สภาพการลอยก็เปลี่ยนไป เพราะน้ำเข้ามาแทนที่อากาศภายใน

แล้วทำไมบรรทุกของเพิ่ม เรือยังไม่จม

ลองค่อย ๆ ใส่ก้อนหินลงในชามที่ลอยอยู่ ชามจะจมลึกขึ้น เมื่อส่วนที่จมมีปริมาตรมากขึ้น ก็แทนที่น้ำได้มากขึ้นและได้รับแรงพยุงเพิ่ม จนสมดุลกับน้ำหนักใหม่ เรือบรรทุกสินค้าก็ทำงานในลักษณะเดียวกัน

แต่การบรรทุกมีขีดจำกัด ถ้าใส่ของหนักเกินไป เรือจะจมลึกจนเหลือขอบพ้นน้ำน้อย น้ำอาจไหลเข้าทางช่องเปิด หรือเรืออาจเสียเสถียรภาพได้ การจัดวางของให้สมดุลจึงสำคัญพอ ๆ กับน้ำหนักรวม

น้ำทะเลกับน้ำจืดต่างกันไหม

น้ำทะเลโดยทั่วไปมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำจืด ที่ปริมาตรเท่ากันจึงมีน้ำหนักมากกว่าและให้แรงพยุงมากกว่าเล็กน้อย เรือที่มีน้ำหนักเท่าเดิมจึงมักลอยสูงกว่าในน้ำทะเล และจมลึกกว่าเมื่อเข้าไปในน้ำจืด

ส่วนเหตุที่เรือจม อาจเกิดจากน้ำรั่วเข้าตัวเรือ บรรทุกเกิน พลิกคว่ำ หรือความเสียหายอื่น ๆ เมื่อน้ำเข้ามาแทนที่อากาศในเรือ น้ำหนักเพิ่มขึ้นและความสามารถในการลอยก็ลดลง หากไม่เหลือแรงพยุงเพียงพอสำหรับน้ำหนักรวม เรือก็จมได้

ครั้งหน้าเห็นเรือใหญ่ลอยอยู่ ลองมองแนวน้ำที่ข้างลำเรือดู ส่วนนั้นบอกได้ว่าตัวเรือจมลงไปแค่ไหน และน้ำกำลังช่วยพยุงน้ำหนักมหาศาลของมันอยู่