Drijven

Drijvende sleutelhanger 'koe'

Drijvende olie

Iets drijft wanneer het gedeeltelijk boven de vloeistof, waarin het zich bevindt, uitsteekt. De opwaartse kracht (tegenkracht) van de vloeistof is dan groter dan de zwaartekracht (trekkracht) van het voorwerp. De sleutelhanger op de foto blijft op het water drijven, dus de opwaartse kracht van het water is groter dan de zwaartekracht van de sleutelhanger.

Voorwerpen kunnen op een vloeistof drijven, maar een vloeistof kan ook op een vloeistof drijven. Dit zie je op de foto hiernaast: de olie blijft op het water drijven.

Invloed

Het is niet makkelijk om te verklaren waarom iets blijft drijven of zinkt. Er zijn namelijk een aantal factoren die invloed hebben op het drijven of zinken van voorwerpen en vloeistoffen:

1. Het gewicht
2. Het volume
3. De dichtheid
4. De vorm van het voorwerp
5. De opwaartse kracht van water
6. De samenstelling van het water
7. Temperatuur van het water
8. Zoutgehalte van het water

Het gewicht

Manderijnen

Het gewicht van een voorwerp wordt ook wel massa genoemd. Deze wordt vaak uitgedrukt in kilogram of gram. Het gewicht heeft voor een deel invloed op het drijven van voorwerpen, maar er hangen nog meer dingen mee samen. Het is namelijk niet zo dat als een voorwerp zwaar is, het ook gelijk zinkt. Kijk maar op de afbeelding met de mandarijnen. Een hele mandarijn is natuurlijk zwaarder dan een klein stukje ervan. Toch drijft de hele mandarijn en het kleine stukje zinkt.

Het volume

Het volume van een voorwerp geeft aan hoeveel ruimte dat voorwerp inneemt (de grootte van het voorwerp).Dit wordt ook wel de inhoud genoemd. Het volume wordt vaak uitgedrukt in:

• Kubieke meter (m3)
• Kubieke decimeter (dm3)
• Kubieke centimeter (cm3)

Het symbool voor volume is V.

De Dichtheid

Voor ik wat ga vertellen over waarom iets kan drijven, vertel ik iets over de dichtheid. een ander woord voor dichtheid is soortelijk gewicht. De dichtheid van een vloeistof bijvoorbeeld. De dichtheid wordt bekeken aan de hand van moleculen, noem deze voor het gemak 'watermannetjes'. Deze watermannetjes kunnen een voorwerp dragen, laten drijven of ze laten het voorwerp vallen, het zinkt.

Ik ga het proberen uit te leggen met een voorbeeld. We hebben een kilo veren en een kilo lood, Een kilo lood zal zinken, een kilo veren blijft drijven. Dit komt door de oppervlakte van het voorwerp. Doordat er bij een kilo veren gebruik wordt gemaakt van een grotere oppervlakte, zijn er meer watermannetjes die deze veren kunnen dragen. Een kilo lood is heel klein. Hier kunnen maar weinig watermannetjes bij helpen en dus zal de kilo met lood zinken.

Of een voorwerp blijft drijven, hangt af van de verhouding tussen het gewicht en het volume. De verhouding tussen het gewicht en het volume wordt het soortelijk gewicht genoemd. Je berekent het soortelijk gewicht door de massa door het volume te delen.

Dichtheid= massa / volume:

• Het voorwerp drijft als: De dichtheid van het voorwerp kleiner is dan de dichtheid van de vloeistof.
• Het voorwerp zinkt als: De dichtheid van het voorwerp groter is dan de dichtheid van de vloeistof.

Bij de afbeelding van de olie die op water drijft, geldt dat de dichtheid van de olie kleiner is dan de dichtheid van het water. Hierdoor blijft de olie op het water drijven.

De vorm van het voorwerp

Het soortelijk gewicht van het voorwerp en de vloeistof bepaalt dus of iets blijft drijven, maar de vorm van een voorwerp is nóg belangrijker. Een ijzeren bol zinkt, maar een boot van ijzer blijft drijven! Wanneer het voorwerp een holle vorm heeft, bevat het veel lucht (lucht is veel lichter dan water), hierdoor is het soortelijk gewicht kleiner en blijft het voorwerp drijven.

De opwaartse kracht van water

Naast alle eigenschappen die een voorwerp moet hebben om te kunnen drijven, speelt ook het water zelf een belangrijke rol in het kunnen laten drijven van voorwerpen. Wanneer je bijvoorbeeld een papieren bootje op het water laat drijven, zijn er kleine waterdeeltjes die tegen de onderkant van dat bootje aanduwen om het bootje te laten drijven. Dit heet de opwaartse kracht van water. We noemen de waterdeeltjes voor het gemak even de watermannetjes. Als je het bootje vult met bijvoorbeeld knikkers, zal het bootje op een gegeven moment niet meer blijven drijven. Het bootje wordt te zwaar voor de watermannetjes en ze kunnen het bootje niet meer tillen. Het bootje zal daardoor naar de bodem zinken.

De samenstelling van het water

Naast de watermannetjes in het water, is ook de samenstelling van het water van belang. De combinatie van water met zout zorgt er namelijk voor dat er veel meer voorwerpen op het water kunnen drijven. Maar hoe kan dat dan?

Eerder op deze pagina is de opwaartse kracht van water al uitgelegd. Weet je het nog? Het verhaal over de watermannetjes! Door het zout dat in het water zit, worden de watermannetjes in het water sterker. Hierdoor kan het water voorwerpen met een hoger soortelijk gewicht laten drijven.

De temperatuur van het water

De temperatuur bepaald namelijk ook de dichtheid van het water. Zo is de dichtheid van water bij de Evenaar veel lager dan die bij de noord- en zuidpool. Doordat het bij de Polen bijna ijs is, is de dichtheid van water daar veel groter!

Het zoutgehalte van het water

De opwaartse stuwkracht hangt namelijk af van de dichtheid van het water waarin je ligt en die van je eigen lichaam. Door het hoge zoutgehalte van bijvoorbeeld de dode zee, is de dichtheid hier ook heel erg groot! Er zitten in dit water dus veel meer moleculen(watermannetjes) in een kleiner stukje water dan dat er zit in normaal kraanwater. 

De Dode Zee

Er is één hele bijzondere zee op de wereld als het gaat om drijven en die heet De Dode Zee. Deze zee heet zo, omdat er helemaal niks in het water leeft. Geen planten, geen dieren; niks. Dit komt doordat het water in deze zee heel erg zout is. Dat wordt veroorzaakt door de locatie van de zee, namelijk een warm woestijngebied waar de zon vaak schijnt. Door de zon verdampt het water, maar omdat zout niet kan verdampen blijft dit achter.

In De Dode Zee kunnen veel meer dingen blijven drijven dan op bijvoorbeeld een meertje in Nederland. Dat komt door het zout in het water. Dat zout zorgt ervoor dat de watermannetjes sterker worden: de opwaartse kracht van het water wordt dus hoger. Hierdoor kun je meer voorwerpen laten drijven in zout water dan water waar minder zout in zit. Als je als mens de Dode Zee ingaat, kun je gewoon blijven drijven zonder daar enige moeite voor te hoeven doen. Je kunt lekker languit op het water liggen en bijvoorbeeld een krantje lezen.

Enkele voorbeelden van proefjes

Een pingpongballetje, gemaakt van celluloid, weegt 2,7 gram en heeft een doorsnee van 40 millimeter. Als je dit balletje onderdompelt in water wordt er dus 33,5 ml water verplaatst, dat 33,5 gram weegt. Volgens Archimedes is het 'gewicht' van het pingpongballetje onder water dus (2,7 gram – 33,5 gram =) -30,8 gram. Het balletje heeft een negatief 'gewicht' en komt dus zo snel mogelijk naar boven drijven. Het balletje zal met een klein deel van z'n onderkant in het water blijven liggen, zodanig dat de massa van het verplaatste water gelijk is aan 2,7 gram (en dus aan het gewicht van het pingpongballetje). De dichtheid van het pingpongballetje is kleiner dan de dichtheid van water.

Een mens heeft een gemiddelde dichtheid die net iets hoger is dan water. Dit verschil is zo klein, dat als een mens zijn/haar longen vol lucht zuigt hij/zij wel blijft drijven, maar als hij/zij uitademt niet meer. De eigen waterverplaatsing is dus bijna gelijk aan de eigen massa. Dit is dan ook de reden dat het voor mensen gemakkelijk is om een ander op te tillen onder water. Onder water wegen mensen hooguit een paar kilo.

Een groot schip kan drijven doordat de waterverplaatsing van de romp groter is dan de massa van het schip. De maximale waterverplaatsing van de Titanic bijvoorbeeld was 46000 ton, terwijl het gewicht van de romp 'slechts' 24000 ton bedroeg. De Titanic kon dus opgevuld worden met opbouw, apparatuur en passagiers tot een maximum van (46000 – 24000 =) 22000 ton. Helaas ontstond er een lek in de romp, waardoor de romp volliep met water. De waterverplaatsing van de romp werd niet kleiner, maar de massa wel groter. Hierdoor is het schip gezonken.

Proefjes omtrent drijven en zinken, kun je uitvoeren in water, maar ook in andere vloeistoffen en zelfs in lucht! Voorbeeld: Zout water heeft een hogere dichtheid dan kraanwater. De massa van het verplaatste zoute water is bij een gelijk blijvend voorwerp dus groter, terwijl de massa van het voorwerp zelf gelijk is. Hardhout dat in gewoon water zinkt, zal in zout water dus waarschijnlijk wel kunnen drijven.

Bron: Mayer, C. (2013). Eigenschappen van materialen, drijven en zinken. Etten-Leur: Corona.

Leuke bronnen / links over drijven en zinken

1. Mayer, C. (2013). Eigenschappen van materialen, drijven en zinken. Etten-Leur: Corona. 2. www.wetenschapentechnologie.slo.nl 3. Keulen, H. v. (2009). Wetenschap en techniek in het primair onderwijs, drijven en zinken. Venlo: Fontys PABO. 4. Repko, A., & Berg, E. v. (2012). Talenten komen boven drijven... Als je ze de kans geeft. Amsterdam: Lectoren Hogescholen.