Drijven
Drijven heeft met krachten te maken. Wij mensen, dieren en spullen worden door de aarde aangetrokken. Dat heet de aantrekkingskracht of zwaartekracht. Daarom hebben wij mensen, dieren en andere spullen ook een gewicht of zwaarte. Als je op de grond staat, ligt of zit, dan duwt die grond je als het ware terug. Zou dat niet het geval zijn, dan zak je door de grond heen. Bruggen, vloeren, daken, bedden, tafels en stoelen enzovoorts moeten dus sterk genoeg zijn om de spullen, mensen en dieren die zich er op bevinden te kunnen dragen. Dit kun je de draagkracht noemen. Maar beter is opwaartse kracht.
Bij een vloeistof werkt het eigenlijk niets anders, alleen is de tegenkracht of tegendruk (de opwaartse kracht) minder sterk dan die van een vaste stof als de aarde of een brug.
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 foto met sleutelhanger laat zien dat de sleutelhanger op het water blijft drijven. Dus de opwaartse kracht van het water is groter dan de zwaartekracht van de sleutelhanger.
Kracht wordt uitgedrukt in Newton. Genoemd naar de wetenschapper Isaac Newton. De aarde trekt dus met Newton's aan ons (aantrekkingskracht) en de aarde duwt met evenveel Newton's terug zodat we erop blijven staan. Als de terugduwkracht van een vloeistof net zoveel is als de aantrekkingskracht op het voorwerp (zoals de sleutelhanger), dan blijft het voorwerp drijven. Het voorwerp zakt er wel een stukje in, maar het natte gedeelte duwt met evenveel kracht (Newton's) terug. Is de aantrekkingskracht groter dan de opwaartse kracht, dan zinkt het voorwerp.
Een lichte vloeistof kan ook op een zwaardere vloeistof drijven. Andersom niet. De lichtere vloeistof zal altijd bovenop gaan 'liggen', zelfs als je beide vloeistoffen door elkaar schud. Dit zie je op de foto hiernaast: de lichtere olie blijft op het zwaardere water drijven.
Dichtheid
Het verschil in licht en zwaar heeft iets met de dichtheid te maken. Misschien ken je de vraag: "Wat weegt zwaarder - een kilo veren of een kilo ijzer?". Het antwoord is even zwaar (allebei 1 kilo). Echter het stuk dicht ijzer (zonder een holte) neemt minder ruimte in dan de kilo veren. Bij verschillende vloeistoffen heb je min of meer hetzelfde. Alleen moet je dan naar de kleine vloeistofdeeltjes (moleculen) gaan kijken en dat is best lastig voor te stellen.
Invloed
Het is daarom niet makkelijk om te verklaren waarom iets blijft drijven of zinkt. Er zijn namelijk een aantal factoren die invloed hebben op het drijven, zweven of zinken van voorwerpen en vloeistoffen in een vloeistof:
- Het gewicht
- Het volume
- De dichtheid
- De vorm van het voorwerp
- De opwaartse kracht van een vloeistof (bijvoorbeeld water)
- De samenstelling van de vloeistof (zout water is bijvoorbeeld zwaarder dan zoet water)
- Temperatuur van de vloeistof
Het gewicht
Het gewicht van een voorwerp wordt ook wel massa genoemd. Deze wordt vaak uitgedrukt in kilogram of gram. Als je op de weegschaal gaat staan, dan weet je wat jouw massa is. 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. Hoe kan dat? Vergelijk het met je eigen lichaam in het zwembad. Spreid je jezelf helemaal liggend uit, dan blijf je makkelijker drijven dan dat je jezelf helemaal klein (compact) maakt. Je zakt dan iets verder het water in. Je zweeft als het ware in het water, maar je zinkt (nog) niet naar de bodem. Bij de uitgestrekte liggende toestand dan raakt meer water je lijf om je omhoog te duwen (je krijgt een grotere opwaartse kracht). Komt er nog eens lucht bij, zoals een zwemband of vleugeltjes, dan blijf je ook makkelijker drijven, plus dat de band of de vleugeltjes het vlak vergroten.
Ga je rechtop in het water 'staan', met je armen langs je lijf en zonder dat je voeten de bodem raken, dan zink je wel naar de bodem. Het water gaat als het ware langs je lijf en kan je minder goed opwaarts duwen. Je moet dan watertrappelen of zwembewegingen maken om jezelf omhoog te duwen. Je handen en voeten zetten zich af tegen het water om weer boven water te komen.
Het volume
In het voorbeeld hierboven zorgde de zwemband en de vleugeltjes ervoor dat je raakvlak groter werd. Ook de lucht die nauwelijks iets weegt, maar wel plek inneemt helpt bij het drijven. Je kun het ook vergelijken met een ballon. Blaas je deze op, dan vergroot je het volume. Eigenlijk moet je het gewicht van de ingeblazen lucht ook meetellen, maar zoals gezegd weegt dat maar heel weinig.
Het volume van een voorwerp geeft aan hoeveel ruimte dat voorwerp inneemt (de grootte van het voorwerp). Bij volume is er sprake van drie (3) richtingen. De hoogte of dikte, de breedte (lengte opzij) en de diepte (lengte naar achteren). Dit noem je driedimensionaal. Een plat papier is nagenoeg tweedimensionaal (lengte en breedte) als je de dikte van het papier niet meetelt.
Het volume wordt vaak uitgedrukt in:
- Kubieke meter (m3)
- Kubieke decimeter (dm3)
- Kubieke centimeter (cm3)
Het symbool voor volume is V.
Een voorbeeld: Neem een blokje klei van 2 bij 2 bij 2 centimeter. Door de drie richtingen met elkaar te vermenigvuldigen krijg je 2 cm x 2 cm x 2 cm = 8 cm3. Het blokje klei heeft een volume van 8 cm3. Ga je dit blokje plat maken met een deegroller, dan wordt de ene kant bijvoorbeeld 20 cm en de andere kant ook 20 cm. Maar de klei wordt wel heel plat. Omdat je niets aan de hoeveelheid klei hebt veranderd, dan blijft het gewicht van de klei hetzelfde en in dit geval dus ook het volume (8 cm3). Wat zal dan de dikte van deze plak klei zijn? Dan krijg je 20 cm x 20 cm x ? = 8 cm3. Het vraagteken (?) wordt dan 0,02 cm. Dat is dus heel dun, nog minder dan een millimeter. Het volume is dus hetzelfde gebleven, maar je krijgt een veel groter oppervlak.
De Dichtheid
De dichtheid is al een beetje hierboven uitgelegd met de kilo veren en de kilo ijzer.
Een ander woord voor dichtheid is soortelijk gewicht.
Een proefje:
we nemen een stuk aluminiumfolie van de rol en maken daar twee gelijke velletjes van. De dichtheid van beide velletjes en het volume is bij beide nog hetzelfde.
Van het ene velletje vouwen we een bakje waar dus lucht in zit. Het andere velletje proppen we samen en persen het met een lepel zo goed mogelijk samen tot een blokje (kubus). Alle lucht die eerst nog in de prop zat wordt er ook uitgeperst. Aan de dichtheid van het aluminium is in beide gevallen eigenlijk niets verandert, maar bij het bakje heb je aluminium én lucht.
Leg je het blokje en het bakje aluminium op het water, dan zinkt het blokje en drijft het bakje (blijft het blokje toch nog drijven, dan zit er nog lucht in en is het niet genoeg samengeperst).
Net als bij de kilo veren zit er veel lucht tussen de veren, die veel meer ruimte nodig hebben dan het stuk ijzer van een kilo waar geen lucht tussen zit.
1. Twee gelijke velletjes aluminium
2. Een samengeperst blokje en een bakje van aluminium
3. Het blokje zinkt en het bakje met lucht blijft drijven
Dichtheid van vloeistof
Ook de dichtheid van een vloeistof is verschillend. Water stroomt makkelijker uit een pak, dan bijvoorbeeld yoghurt. De dichtheid van bijvoorbeeld water 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.
Laten we water iets nauwkeuriger bekijken. Als je water gat koken, dan ontstaat er waterdamp of stoom. Bij waterdamp zit er veel meer ruimte tussen de water deeltjes (water-moleculen). Bij water uit de kraan zitten de watermoleculen dichter op elkaar dan bij waterdamp. Het bijzondere van water is, dat het bij bevroren water, ijs dus, de watermoleculen weer wat verder uit elkaar zitten. Hierdoor drijft ijs op het water. Want bij dezelfde hoeveelheid ijs als water is ijs lichter dan water.
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 de dichtheid of het soortelijk gewicht door de massa door het volume te delen.
Dichtheid (soortelijk gewicht) = massa / volume
Dus:
- 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. Bij vaste stoffen waar veel lucht in zit (zoals het aluminium bakje of het zwembandje) helpt de lucht om de dichtheid van het voorwerp te verlagen.
De vorm van het voorwerp
Het soortelijk gewicht van het voorwerp en de vloeistof bepaalt dus of iets blijft drijven, maar we zien ook dat de vorm van een voorwerp nóg belangrijker is. We hebben gezien dat het samengeperste aluminium blokje zinkt, maar een bakje van dezelfde hoeveelheid aluminium blijft drijven! Wanneer het voorwerp een holle vorm heeft, zoals bij een boot of een bakje, dan bevat het veel lucht (en lucht is zoals gezegd 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.
Nog een proefje
Wanneer je bijvoorbeeld een papieren bootje op het water laat drijven, zijn er de kleine waterdeeltjes (watermoleculen) die tegen de onderkant van dat bootje aanduwen om het bootje te laten drijven. We weten nu dat dit de opwaartse kracht van water heet. Als je het bootje vervolgens vult met bijvoorbeeld knikkers, zal het bootje op een gegeven moment niet meer blijven drijven. Het bootje wordt te zwaar voor de watermoleculen en ze kunnen het bootje niet meer 'tillen'. Het bootje zal daardoor naar de bodem zinken. De zwaardere knikkers nemen de plaats van de lucht in waardoor het papieren bootje zwaarder beladen wordt. In totaal wordt de dichtheid van bootje en knikkers te groot. Daarom hebben schepen altijd extra luchtkamers.
De samenstelling van het water
Naast de watermoleculen in het water, is ook de samenstelling van het water van belang. Zout water (zoals zeewater) is een mengsel van zuivere watermoleculen en zoutmoleculen. Zout in een potje ziet eruit als witte korreltjes. Maar zout opgelost in water kun je niet zien, maar het water proeft wel zout. Het gekke is dat de combinatie van water met zout ervoor zorgt, dat er veel meer voorwerpen op het (zoute) water kunnen drijven. Maar hoe kan dat dan?
Eerder op deze pagina is de opwaartse kracht van water al uitgelegd. Door het zout dat in het water zit, wordt de opwaartse druk (kracht) in het water sterker. Hierdoor kan het water voorwerpen met een hogere dichtheid (soortelijk gewicht) laten drijven.
De temperatuur van het water
De temperatuur bepaald namelijk ook de dichtheid van het water. Zo is de dichtheid van warm water bij de Evenaar veel lager dan die van het koude water 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 druk van zuiver water verandert als er andere stoffen in komen. Hoe meer zout je toevoegt, hoe hoger de dichtheid zal worden. Er zitten in dit zeg maar vervuilde water dus veel meer moleculen dan dat er in normaal (zuiver) kraanwater zit.
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 opwaartse kracht van het water groter wordt. 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.
Nog enkele voorbeelden
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 over 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.