25. Noste

Johdanto

fy8_omenatomaattiporkkana.jpg
Omena ja tomaatti kelluvat vedessä, mutta porkkana uppoaa. Tästä luvusta selviää, mistä ero eri kappaleiden välillä johtuu.


Tiheys

Iso kappale ei välttämättä ole suuri massaltaan, eikä pieni kappale ole välttämättä kevyt. Maitotölkin tilavuus on yksi litra ja sen massa on noin yksi kilogramma. Mikäli maitotölkin sisältö olisi kultaa, sen massa olisi melkein 20 kg. Tiheys on suure, joka kuvaa kappaleen massaa tilavuusyksikköä kohden.
fy8_tiheys1.png
Yhden kuutiodesimetrin kokoinen pala rautaa on massaltaan 7,9 kg. Tällöin 10 dm3:n massa on 79 kg ja 100 dm3:n massa on 790 kg. Raudan tiheys on siis 7,9 kg/dm3.


fy8_tiheys2.png
Alumiinin tiheys on pienempi kuin raudan tiheys. Alumiini on siis rautaa kevyempi metalli. Tämän takia joidenkin polkupyörien rungot valmistetaan alumiinista.

Tiheyden määrittäminen voidaan suorittaa helposti mittaamalla tutkittavan kappaleen tilavuus ja massa. Massa saadaan määritettyä vaa’an avulla. Yksinkertaisen kappaleen tilavuus voidaan määrittää mittaamalla kappaleen mitat ja laskemalla tilavuus näistä tiedoista. Mikäli halutaan määrittää esimerkiksi omenan tilavuus, voidaan omena upottaa vedellä osittain täytetyn mitta-astiaan ja tutkia kuinka kuinka paljon vedenpinta nousee. Tiheys saadaan laskettua jakamalla mitattu massa tilavuudella. Tiheyden tunnus on [[$ \rho $]] ja yksikkö [[$ \dfrac{kg}{m^3} $]]​ (kilogramma kuutiometriä kohti).

fy8_tiheys_laatikko.png

Tiheyden perusyksikkö [[$ \dfrac{kg}{m^3} $]]​ on varsin pieni yksikkö, joten monessa tilanteessa on käytännöllisempää käyttää yksikköä [[$ \dfrac{kg}{dm^3} $]]​. Tiheyksien arvoja ei ole tarpeen opetella ulkoa, koska arvot löytyvät taulukoista. On kuitenkin hyvä muistaa, että veden tiheys on [[$ 1\,\dfrac{kg}{l}=\dfrac{1000\,kg}{m^3} $]]​.


fy_kullan_huuhdonta_shutterstock_9605209_peda.jpeg
Kullanhuuhdonta perustuu kullan suureen tiheyteen. Kulta on hiekkaa tiheämpää, joten kulta painuu vaskoolin pohjalle, mutta tiheydeltään pienempi hiekka huuhtoutuu pinnalta veden mukana.

fy_Lentokone_Leppens_shutterstock_137264039_peda.jpeg
Lentokoneiden suunnittelussa on kiinnitettävä huomiota käytettävien materiaalien tiheyteen. Vanhat lentokoneet olivat puurunkoisia ja kangaspäällysteisiä. Kevyiden metallien ja komposiittien kehittyminen on mahdollistanut kestävämpien lentokoneiden valmistamisen. Lue lisää Wikipediasta.

Noste

Veteen pudotettu kivi uppoaa, mutta puupalikka kelluu. Ero puun ja kiven välille johtuu tiheydestä. Kiven tiheys on noin [[$3000 \, \dfrac{kg}{m^3}$]], mutta kuivan puun tiheys vain [[$500 \, \dfrac{kg}{m^3}$]]. Koska veden tiheys on [[$1\,\dfrac{kg}{l}=\dfrac{1000\,kg}{m^3}$]], on puupalikan tiheys pienempi kuin veden tiheys, mutta kiven tiheys puolestaan huomattavasti veden tiheyttä suurempi.

Noste on ylöspäin kohdistuva voima, joka vaikuttaa nesteessä tai kaasussa olevaan kappaleeseen. Arkhimedeen lain mukaan nosteen suuruus on sama kuin kuin kappaleen syrjäyttämän neste- tai kaasumäärän paino. Arkhimedeen lakia voi ymmärtää ajattelemalla, että upotettavan kappaleen täytyy syrjäyttää itsensä suuruinen tilavuus nestettä tai kaasua. Koska kappaleen syrjäyttämään nesteeseen tai kaasuun kohdistuu painovoima, on luontevaa, että noste on tämän suuruinen. Mikäli kappaleen tiheys on nesteen tai kaasun tiheyttä pienempi, kappale ei syrjäytä koko oman tilavuutensa kokoista tilavuutta, vaan jää kellumaan. Mikäli tiheys on puolestaan suurempi, kappale uppoaa. Jos kappaleen tilavuus on lähes sama kuin nesteen tai kaasun tilavuus, jää kappale leijumaan.

shutterstock_164591780(1)_peda.jpegTiheys on suure, joka kuvaa sitä, mikä on kappaleen massa tilavuusyksikköä kohti. Jos kappale asetetaan nesteeseen, kappale:

  • uppoaa, jos kappaleen tiheys on nesteen tiheyttä suurempi
  • leijuu, jos kappaleen tiheys on sama kuin nesteen tiheys
  • kelluu, jos kappaleen tiheys on pienempi kuin nesteen tiheys
Tutustu nosteeseen myös appletin avulla.
Tutustu myös PhET-simulaatioon tiheydestä ja kelluvuudesta.

Heliumilla täytetty ilmapallo kohoaa kohti taivasta, vaikka siihen on kiinnitetty pieni punnus.

Avainsanat

Noste: Noste on ylöspäin kohdistuva voima, joka vaikuttaa nesteessä tai kaasussa olevaan kappaleeseen.Nosteen suuruus on yhtä suuri, kuin kappaleen syrjäyttämän neste tai kaasumäärän paino.

Tiheys: Tiheys ilmaisee aineen/kappaleen massan suhteessa sen tilavuuteen.