עיקרון הציפה

עיקרון הציפה הוא עיקרון פיזיקלי המניח שכוח כלפי מעלה המכונה 'דחיפה' פועל על חפץ הנמצא בתוך נוזל או גז. דחיפה זו שווה למשקל הסגולי של הנוזל או הגז שנדחף על ידי החפץ. אם דחיפה זו גדולה יותר ממשקל החפץ, החפץ יצוף. אם דחיפה זו קטנה יותר ממשקל החפץ, החפץ ישקע.

משקל החפץ מושפע מצפיפות החפץ, בהם כלולים המשקל של החומרים מהם עשוי הכלי, אוויר הנמצא בו, ועוד.

משקל המים מושפע מצפיפות הנוזל, הצפיפות מושפעת מהימצאות מלח בנוזל, במי ים הצפיפות היא 1024 ק"ג בקירוב בעוד במים מתוקים היא 1000 ק"ג לכן פוטנציאל הציפה קטן במים מתוקים כמו אגמים ונהרות.

 

המשפט שאותו ניסח ארכימדס לניסוח התופעה הוא: "כאשר גוף שקוע במלואו או בחלקו בנוזל, הוא חווה כוח מציף כלפי מעלה, אשר שווה למשקלו של הנוזל שבו הוא שקוע", הסבר התופעה בפשטות הוא שהכוח המעלה (המתנגד למשקל  האובייקט) נובע מהמים עצמם שלהם משקל מסוים, ככל שהאובייקט יידחוק יותר מים הוא יצוף יותר, והתופעה של הפחתת משקל הגוף ששקוע במים נקראת 'משקל יחסי', משום שהמים מתנגדים לכוח הכבידה ומונעים מהאובייקט לשקוע, בשונה מהאוויר שאינו דוחק את הגוף (משקל האוויר ודחיסותו נמוכים ממשקל האובייקט ולכן משקל האובייקט יהיה מרבי ביחס למסה ממנה הוא מורכב).

 

כפי שהבנתם הציפה מושפעת מנפח ודחיסות, הן של נוזל והן של הגוף השקוע במים, והאיזון ביניהם מגדיר את יכולת הציפה בערכים של KG למטר רבוע.

• נוסחת המשקל הנדחק היא צפיפות * נפח הנוזל ביחס למשקל הגוף השקוע במים. 

• מסת הגוף השקוע במים מורכב מנפח הגוף * צפיפות הגוף הכלכלית.

עיקרון הציפה הוא אחד העקרונות החשובים ביותר בפיזיקת הנוזלים. הוא מסביר מדוע חפצים צפים או שוקעים במים, ואיך ספינות יכולות לשוט. הוא גם מסביר מדוע דגים יכולים לשחות במים, ואיך צוללות יכולות לעלות ולרדת מתחת לפני המים.

 

פרמטרים המשפיעים על יכולת הציפה

• עיצוב גוף היאכטה – עיצוב גוף הסירה: יאכטות מעוצבות עם צורת גוף ספציפית שעוזרת להזיז מים ביעילות. הגוף הוא החלק המרכזי של הסירה שנמצא מתחת לקו המים. צורת הגוף, כולל את קו השדרית מתחת למים, צורת הV הטיפוסית מתחת לקו המים, ואת החלק מעל קו המים והחלק האחורי, שאלו מתוכננים  כך שידחו מים במינימום התנגדות ומקסימום מגע עם המים-בכך מגדילים שטח מגע.
  
  
• חומרים מהם בנוייה היאכטה – יאכטות מיוצרות מחומרים שהם פחות צפופים מהמים, כגון סיבי פיברגלס, קרבון-פייבר, עץ ואלומיניום ועוד, אלו החומרים תורמים למשקל מסה  נמוך של של היאכטה כגוף שלם.
  
  
• תאים אטומים למים (Watertight Bulkheads) – בחלק מהיאכטות יש חלוקה מבנית  למספר תאים אטומי מים למטרות בטיחות של מניעת טביעה כתוצאה מחדירה מים  כתוצאה מהתנגשות, בעיקר בחרטום אבל גם  בתחתית בשאר האזורים כמו הדפנות, כתלות בתכנון היצרן,  תאים אלו כמעט תמיד מלאים באוויר, מה שמוסיף לצפיפות הכוללת ומונע מהיאכטה כולה לשקוע אפילו אם תא אחד מתמלא במים, האוויר מוריד את המשקל הכולל של הכלי ביחס למים.
  
  
• חלוקת משקל מתוכננת ואיזון כלי השייט – מיקומם של רכיבים שונים ביאכטה, כולל המנוע, מיכלי הדלק, מיכל המים, מים אפורים ושחורים,  והחללים המיועדים למגורים, מתכננים בקפידה כדי לשמור על שווי משקל ומרכז כובד נמוך ומרכזי (האתגר הגדול
• יותר הוא המנוע וחלקיו שיושבים מאחור).
  
  
• ניהול העמסת משקלים – בעלי יאכטות ומפעיליהם צריכים לנהל את ההעמסה של המשקל בסירה. הפצת המשקל בצורה תקנית עוזרת לשמור על יציבות ומונעת מהיאכטה להיכנס להטיות חדות או להתהפך.
• משקולות קיל או משקולות בקו השדרית – המשקולות מוסיפות איזון ע"י חלוקת מרכז כובד נמוכה וגם מוסיפות דחיקה של מים מעצם קיומם, אם כי החומר מהם הן עשויות לכשלעצמו לא תורם לציפה מאחר וחומרי הבנייה שלהם הם דחוסים מאוד וכבדים ביותר (עופרת, פלדה, חול וכו').
  
  
• גובה הכלי מקו המים עד לקו הסיפון–לגובה שלכלי השייט מעל פני המים יש תרומה ליציבות בעיקר כאשר יאכטה מפרשית נמצאת בהטייה כשהיא מפליגה ברוח צד עם מפרשים או בעת הפלגה בגלי צד.
  
  

  

כלי השייט מורכבים מחלקים שונים שמותאמים על פי עקרון זה כדי להפיק את הדחיקה המרבית ולספק יציבות ואיזון לכלי. עיצוב החלק התחתון של הכלי בדרך כלל משוקלל יותר ומשטח הצורף למים רחב יותר ('שטח פנים'), מה שגורם לכוח הדחיקה להיות גבוה יותר ולכלי השייט לצוף בצורה יעילה יותר.

בנוסף לעקרון הדחיקה של המים, צפיפותו הכוללת  כלי השייט משפיעה גם על ידי מרכז הכבידה והעומס על הכלי, כגון מיקום מנועים, משקולות איזון כמו קיל או מיכלי מי נטל (Ballast) באוניות.

 

יישומי עיקרון הציפה

עיקרון הציפה ישנם יישומים רבים בחיי היומיום. לדוגמה, עיקרון הציפה משמש בבניית ספינות, צוללות, אסדות, מצופי בטיחות וניווט,  וגם לצלילה המאפשר לצוללים ליצור ציפה חיובית או שלילית בעזרת וויסות אוויר בריאות (נשימה נשיפה, והחזקת אוויר בריאות) או אוויר  במאזן הציפה ומשקולות עופרת.

 עיקרון הציפה משמש גם בביולוגיה, כדי להבין את התנועתיות של דגים וחיות ימיות אחרות.

עיקרון הציפה הוא אחד העקרונות  החשובים ביותר בפיזיקת הנוזלים. הוא מסביר מדוע חפצים צפים או שוקעים במים, ואיך ספינות, צוללות ודגים יכולים לנוע במים.

דוגמאות לציפה

• ספינה משא צפה במים כי דחיפה הנוזל שנדחק על ידי גופה של הספינה גדולה יותר ממשקל הספינה עצמה.
• צוללת יכולה לעלות ולרדת מתחת לפני המים על ידי שינוי נפח המים שנדחף על ידי גופה.
• דג יכול לשחות במים ביעילות כי דחיפה הנוזל שנדחק על ידי גופו של הדג גדולה יותר ממשקל הדג.

עיקרון הציפה הוא אחד העקרונות  החשובים ביותר בפיזיקת הנוזלים. הוא מסביר מדוע חפצים צפים או שוקעים במים, ואיך ספינות, צוללות ודגים יכולים לנוע במים.

כיצד לשמור על הציפה של כלי השייט

כדי לשמור על הציפה של כלי השייט, יש להקפיד על מספר דברים:

• לוודא שכלי השייט עשוי מחומר צף.
• לוודא שכלי השייט בצורה כזו שתגרום לו להרים את כמות המים המרבית האפשרית.
• לא להעמיס את כלי השייט יתר על המידה.
• להשתמש בחומרים בהם אוויר כלוא כמו ספוג, קלקר או חומרים שהמסה הכללית שלהם נמוכה.
• לוודא שכלי השייט מאוזן מבחינת מרכז הכובד שלו וחלוקת המשקלים, כך שהדחיקה תהיה שווה לכל אורכו.
•  שימוש  בחומרים קלים מהותי, יאכטה עשויה מחומרים קלים, כגון סיבי פחמן, פיברגלס או אלומיניום, תהיה בעלת כושר ציפה יותר גדול מיאכטה עשויה מחומרים כבדים, כגון עץ או פלדה, למרות שיש גם יאכטות עשויות גוף בטון .
• צורת גוף יעילה-. צורת גוף יעילה תדחק את המים בצורה גדולה יותר, מה שיעזור ליאכטה להגיע לשטח פנים גדול יותר מול המים.
• מבנה סיפון שטוח. סיפון שטוח יעזור ליאכטה לשמור על יציבותה במים, גם בגלים סוערים.

באופן כללי, יאכטה שתוכננה בקפידה ותבנה מחומרים קלים עם צורת גוף יעילה תהיה צפה יותר מיאכטה שלא תוכננה בקפידה.

לסיכום

כלי שייט צפים על המים הודות לעיקרון הציפה. עיקרון הציפה (ארכימדס) קובע שגוף מרים מים במשקל שווה למשקל הגוף עצמו ומשקלו ביחס למשקל מים. ישנם מספר גורמים שמשפיעים על הציפה של כלי שייט, כולל:

למדנו שישנם מספר גורמים שמשפיעים על הציפה של כלי שייט, כולל:

אם כלי שייט שוקל יותר ממשקל המים שהוא מעלה, הוא יתחיל לשקוע. כדי להימנע מכך, ניתן להוריד ממשקל כלי השייט משקולות או מי-נטל, או אם הכלי צף מדי ניתן לעשות ההפך (משתמשים בזה באוניות נוסעים ומסחר) .

 

• צורת כלי השייט: כלי שייט צריך להיות בעל צורה כזו שתגרום לו להרים את כמות המים המרבית האפשרית.
• חומר כלי השייט: דחיסות חומר כלי השייט צריך להיות צף, כלומר הוא צריך להיות קל יותר ממשקל המים שהוא מעלה.
• משקל כלי השייט: משקל כלי השייט צריך להיות פחות ממשקל המים שהוא מעלה (דוחק).