การลอยตัว เป็นแรงที่กำหนดว่าวัตถุจะจมหรือลอยเมื่อวางไว้ในของเหลว แนวคิดนี้ไม่เพียงแต่เป็นส่วนสำคัญในฟิสิกส์เท่านั้น แต่ยังมีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจสถานะของสสารและปฏิสัมพันธ์ของสสารต่างๆ การลอยตัวส่งผลกระทบต่อก๊าซ ของเหลว และแม้แต่วัสดุที่เป็นเม็ด ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่แพร่หลายในธรรมชาติและเทคโนโลยี
สถานะหลักของสสารสามสถานะคือ ของแข็ง ของเหลว และ ก๊าซ ของแข็งมีรูปร่างและปริมาตรที่แน่นอน ของเหลวมีปริมาตรแน่นอนแต่มีรูปร่างเหมือนภาชนะ และก๊าซไม่มีทั้งรูปร่างที่แน่นอนและไม่มีปริมาตรที่แน่นอน และขยายตัวจนเต็มภาชนะ
การพยุงตัวเกี่ยวข้องกับของเหลวและก๊าซเป็นหลักเนื่องจากเป็นของเหลวที่ออกแรงแรงขึ้นบนวัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำหรือลอยอยู่บนวัตถุเหล่านั้น พฤติกรรมของวัตถุในของไหลขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของวัตถุซึ่งสัมพันธ์กับความหนาแน่นของของไหล
หลักการลอยตัวหรือที่รู้จักกันในชื่อ หลักการของอาร์คิมิดีส ระบุว่าแรงลอยตัวขึ้นซึ่งกระทำต่อวัตถุที่จมอยู่ในของเหลว ไม่ว่าจะจมอยู่ใต้น้ำทั้งหมดหรือบางส่วน จะเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่วัตถุจะแทนที่ ในทางคณิตศาสตร์สามารถแสดงได้เป็น:
\(F_b = \rho_{fluid} \cdot V_{displaced} \cdot g\)
ที่ไหน:
วัตถุจะลอยได้หากความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว และจะจมลงหากความหนาแน่นมากกว่า ถ้าความหนาแน่นเท่ากัน วัตถุจะยังคงลอยอยู่ในของเหลว
ความหนาแน่น ( \(\rho\) ) หมายถึงมวลต่อหน่วยปริมาตรของสาร:
\(\rho = \frac{m}{V}\)
โดยที่ \(m\) คือมวลของสารและ \(V\) คือปริมาตร ความหนาแน่นของวัตถุสัมพันธ์กับความหนาแน่นของของไหลมีบทบาทสำคัญในการลอยตัว วัตถุที่มีความหนาแน่นมากกว่าของเหลวจะจมลง ในขณะที่วัตถุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะลอยอยู่
ตัวอย่างทั่วไปอย่างหนึ่งที่แสดงให้เห็นการลอยตัวคือกรณีของน้ำแข็งที่ลอยอยู่บนน้ำ น้ำแข็งคือน้ำแข็ง และลอยได้เพราะความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำของเหลว สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากโครงสร้างโมเลกุลที่เป็นเอกลักษณ์ของน้ำแข็ง ซึ่งทำให้มีปริมาตรมากกว่าน้ำในรูปของเหลวในปริมาณเท่ากัน
การทดลองเพื่อแสดงการลอยตัวสามารถทำได้โดยใช้แก้วน้ำและวัตถุขนาดเล็กหลายๆ ชิ้นที่ทำจากวัสดุต่างกัน (เช่น พลาสติก โลหะ และไม้) เมื่อวัตถุเหล่านี้ตกลงไปในน้ำอย่างนุ่มนวล สามารถสังเกตได้ว่าวัตถุใดลอยและจม การทดลองง่ายๆ นี้แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของวัตถุเทียบกับความหนาแน่นของน้ำเป็นตัวกำหนดการลอยตัวของวัตถุเหล่านั้นอย่างไร
การลอยตัวมีการใช้งานมากมายทั้งในปรากฏการณ์ทางธรรมชาติและอุปกรณ์ที่มนุษย์สร้างขึ้น แอปพลิเคชันบางตัวประกอบด้วย:
การลอยตัวที่เป็นกลางเกิดขึ้นเมื่อแรงลอยตัวที่กระทำต่อวัตถุเท่ากับน้ำหนักของวัตถุ ทำให้วัตถุไม่จมหรือลอยแต่ยังคงลอยอยู่ในของเหลว สภาวะนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับสิ่งมีชีวิตในน้ำที่ต้องการรักษาความลึกโดยเฉพาะโดยไม่ต้องใช้ความพยายามมากนัก และสำหรับนักดำน้ำและยานพาหนะใต้น้ำที่ต้องการลอยตัวที่ระดับความลึกที่กำหนด
ปัจจัยหลายประการอาจส่งผลต่อการลอยตัว ได้แก่:
แม้ว่าหลักการลอยตัวจะตรงไปตรงมา แต่การออกแบบวัตถุหรือระบบที่ใช้หลักการนี้อย่างมีประสิทธิภาพอาจเป็นเรื่องท้าทาย วิศวกรและนักออกแบบจะต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงความหนาแน่นของวัสดุ รูปร่างและปริมาตรของวัตถุ และสภาวะของของไหลที่อยู่รอบๆ เพื่อให้ได้คุณลักษณะการลอยตัวตามที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น เรือและเรือดำน้ำได้รับการออกแบบอย่างพิถีพิถันเพื่อให้สมดุลระหว่างความจำเป็นในการลอยตัวกับความสมบูรณ์ของโครงสร้างและการใช้งาน
การลอยตัวเป็นแรงพื้นฐานที่มีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมของวัตถุในของเหลว ไม่ว่าจะอยู่ใต้ทะเล ลอยอยู่บนผิวน้ำ หรือลอยอยู่ในอากาศ การทำความเข้าใจหลักการลอยตัวถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการนำทางในโลกธรรมชาติและเพื่อการพัฒนาเทคโนโลยีที่ทำงานในหรือรอบๆ น้ำ ด้วยการสำรวจปฏิสัมพันธ์ระหว่างสถานะของสสาร กฎของฟิสิกส์ และการประยุกต์ใช้เชิงนวัตกรรมที่พัฒนาโดยมนุษย์ เรารู้สึกซาบซึ้งมากขึ้นต่อความซับซ้อนและความสวยงามของโลกรอบตัวเรา
