Hoe zit het met de opwaartse kracht de ruimte? En wat is de rol van de zwaartekracht?
Als je wil weten of voorwerpen in de ruimte drijven, kijk dan eens naar dit
Het balletje zweeft in het water, het drijft niet! Het gaat niet naar het “wateroppervlak”. Had je dat verwacht?
Hoe komt dat?
Het principe van drijven op water en zweven in water zie je mooi bij de werking van een onderzeeër . De wet van Archimedes verklaart dit principe. Deze wet luidt: “de opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof of gas ondervindt, is even groot als het gewicht van de verplaatste vloeistof of gas.” Ook in een artikel over een vlucht met een luchtballon komt de wet ter sprake als verklaring voor het zweven door de lucht.
Om te begrijpen waar de wet van Archimedes vandaan komt, beginnen we bij het principe van Pascal dat zegt “Een druk die wordt uitgeoefend op een vloeistof die zich in een geheel gevuld en gesloten vat bevindt, zal zich onverminderd in alle richtingen voortplanten.” Dit betekent dat in een bepaald punt van de vloeistof de druk vanaf alle kanten even groot is. Dit zie je in figuur 1.
Maar dit is niet alles. Hoe groot de druk op een bepaald punt is, hangt af van de totale hoeveelheid vloeistof die zich boven dat punt bevindt. In formule:
$p = p_0 + \rho g h$
Waarin: po de druk aan het oppervlakte is, $\rho$ de dichtheid van de vloeistof, h de diepte en g de valversnelling.
Dus hoe groter de hoogte van de kolom boven het punt, dat wil zeggen hoe groter de diepte, hoe groter de druk. Belangrijk hier is g, de valversnelling, die ontstaat door de zwaartekracht.
Opwaartse kracht
Stel je nu een lege ruimte (met bijvoorbeeld een kubusvorm) voor in het water. Dan zal de druk aan de bovenkant kleiner zijn dan aan de onderkant, zie figuur 2. De diepte (h) is daar immers kleiner.
Door dat drukverschil ontstaat een resulterende kracht omhoog. Vul je nu de kubus met water dan verdwijnt uiteraard de resulterende opwaartse kracht. De druk van het water omlaag is op ieder punt in de kubus immers gelijk aan de druk omhoog. Kijk je niet naar een met water gevulde kubus maar naar een houten kubus, dan zal dat ook een kracht (gewicht) omlaag uitoefenen. Omdat de dichtheid van hout kleiner is dan die van water is er een resulterende druk en dus een kracht omhoog.
Het vreemde, of beter het tegenintuïtieve, is dus dat hiervoor de zwaartekracht nodig is. Een blok hout dat je onder water duwt zal omhoog willen, het lijkt dan alsof het zich onttrekt aan de zwaartekracht. Maar dit komt dus juist door de zwaartekracht!
Geen gewicht
Er is een plek waar geen gewicht is. Namelijk het ISS, daar is wel zwaartekracht maar geen gewicht. Dat komt omdat de zwaartekracht die er is (de aarde is immers niet heel ver weg) geheel gebruikt wordt door de middelpuntzoekende kracht die het ISS in de baan om de aarde houdt. Er is dan geen kracht “over” voor gewicht.
Samantha Cristoforetti heeft laten zien dat het ISS een perfecte plek is om te kijken hoe het staat met de wet van Archimedes als er geen gewicht is.
Opmerkelijk
Het balletje zweeft in het ISS dus in het water, het drijft niet. Dat komt omdat er geen gewicht is en dus geen drukverschil in de vloeistof.
Als je het filmpje toch bekijkt, probeer dan heel goed te waar te nemen wat er allemaal te zien is aan vreemde dingen door de gewichtloosheid. Om maar wat te noemen, water “hangt” niet onderin het zakje. Dat zou het op aarde wel doen. Er is geen onder of boven, Samantha kan het zakje rustig omdraaien zonder dat het water eruit loopt.
Er is dus geen gewicht dat het water op elkaar en in het zakje drukt. Maar wat houdt het water dan bij elkaar? Het gewicht als gevolg van de zwaartekracht blijkbaar niet. We kennen echter meerdere krachten, zoals beschreven in dit artikel op deze site. Hoewel de zwaartekracht de zwakste is, merken we daar dagelijks toch het meest van. In deze situatie zien we het effect van de elektromagnetische kracht. Die houdt namelijk de watermoleculen bij elkaar.
De TikTok-filmpjes van Samantha zijn erg mooi en leuk om te bekijken. Ze laat nog veel meer opmerkelijke en grappige effecten zien van gewichtloosheid. Kijk maar eens naar haar haar! En overigens, aan het eind van dit filmpje maakt ze een veelvoorkomende vergissing over zwaartekracht.
Vraag: kun je ontdekken welke dat is?
Antwoord: Op het eind van het filmpjes verschijnt in beeld de tekst: “No gravity, no buoyancy”, oftewel als er geen zwaartekracht is, is er geen drijfvermogen. Dat moet natuurlijk zijn “No weight, no buoyancy”.
