Heb je wel eens een zware boomstam in het water zien liggen? Hij is reusachtig en weegt misschien wel honderden kilo’s, en toch blijft hij rustig op het water liggen. Maar als je een klein knikkertje van glas in het water gooit, zoeft hij direct naar de bodem. Hoe kan dat? Je zou denken dat zware dingen zinken en lichte dingen drijven, maar dat is niet het hele verhaal. Of iets drijft, zweeft of zinkt, heeft te maken met waar het materiaal van gemaakt is en hoe de 'bouwsteentjes' (moleculen) in dat materiaal op elkaar gepakt zitten. Dit noemen we met een moeilijk woord dichtheid.

Stel je voor dat je twee even grote doosjes hebt. Het ene doosje zit vol met watjes en het andere doosje zit vol met loden kogeltjes. Hoewel de doosjes even groot zijn, is het doosje met lood veel zwaarder. Bij materialen werkt dat ook zo. Water bestaat ook uit bouwsteentjes. Als de bouwsteentjes van een voorwerp dichter op elkaar gepakt zitten dan de bouwsteentjes van water, dan is het voorwerp 'zwaarder' dan het water en zal het zinken. Denk aan een steen of een ijzeren spijker. De bouwsteentjes van ijzer zitten heel strak tegen elkaar aan gepropt.

Als de bouwsteentjes van een voorwerp juist verder uit elkaar staan dan die van water, dan is het voorwerp 'lichter' dan het water en zal het drijven. Hout is daar een goed voorbeeld van. Zelfs een dikke boomstam heeft bouwsteentjes die minder compact zijn dan die van water, waardoor hij blijft drijven. En dan heb je nog zweven. Dit gebeurt wanneer een voorwerp precies even 'zwaar' is als het water. Het zinkt niet naar de bodem, maar het komt ook niet boven het wateroppervlak uit. Het blijft ergens in het midden hangen. Sommige soorten plastic doen dit, of een ei in water waar je precies de juiste hoeveelheid zout aan hebt toegevoegd. Door het zout wordt het water 'zwaarder' (de dichtheid wordt groter), totdat het precies gelijk is aan het ei.

Klik voor groot beeld:

De onzichtbare hand: Wat is opwaartse kracht?

Als je in een zwembad springt, voel je jezelf ineens heel licht. Je kunt je vriendjes veel makkelijker optillen in het water dan op het schoolplein. Dat komt niet doordat zij ineens minder wegen, maar doordat het water je een handje helpt. Dit hulpje noemen we de opwaartse kracht. Je kunt het vergelijken met een onzichtbare hand die alles wat in het water ligt, weer omhoog probeert te duwen.

Hoe werkt dat precies? Nou, water is eigenlijk een beetje bazig. Het wil het liefst alle ruimte voor zichzelf hebben. Op het moment dat jij in het water stapt, duw je een heleboel water aan de kant om plek te maken voor jezelf. Dat water dat je wegduwt, wil eigenlijk heel graag terug naar zijn plekje. Omdat het water van onderen en van de zijkanten tegen je aandrukt, ontstaat er een kracht die naar boven gericht is. Een slimme meneer uit de geschiedenis, Archimedes, ontdekte dit al heel lang geleden. Hij ontdekte dat de kracht waarmee het water omhoog duwt, precies even groot is als het gewicht van het water dat jij aan de kant hebt geduwd.

Archimedes riep "Eureka!" in zijn bad toen hij begreep hoe het water hem omhoog duwde.

Stel je voor dat je een strandbal onder water probeert te duwen. Dat is best lastig, toch? Je voelt dat de bal heel hard terugduwt. Dat is de opwaartse kracht in actie! De strandbal is heel groot (hij duwt veel water weg), maar hij weegt zelf bijna niks omdat er alleen maar lucht in zit. De opwaartse kracht van het water is dus veel groter dan het gewicht van the bal, waardoor de bal met een rotgang weer omhoog schiet. Bij een steen is het andersom: de steen is klein en duwt maar een klein beetje water weg. De opwaartse kracht is dus klein. Omdat de steen zelf heel zwaar is, wint de zwaartekracht het van de opwaartse kracht, en de steen zinkt. Drijven is dus eigenlijk een soort touwtrekken tussen de zwaartekracht (die omlaag trekt) en de opwaartse kracht (die omhoog duwt).

De Vis

In de diepe oceaan kom je vissen tegen die iets heel knaps kunnen: ze kunnen op één plek in het water blijven hangen zonder te zinken of naar boven te schieten. Ze zijn meesters in het zweven. Hoe doen ze dat? Het geheim zit hem in het veranderen van hun grootte. De meeste vissen hebben een speciaal orgaan dat de zwemblaas heet. Je kunt dit zien als een soort inwendige ballon.

Als een vis dieper wil duiken, laat hij wat gas uit de blaas ontsnappen. De blaas wordt kleiner, de vis wordt 'compacter' en zwaarder vergeleken met het water dat hij wegduwt, en hij zinkt langzaam. Wil de vis weer omhoog? Dan vult hij zijn zwemblaas met gas. De vis wordt groter, duwt meer water weg en krijgt daardoor meer opwaartse kracht.

De Onderzeeboot

Een onderzeeboot werkt op bijna precies dezelfde manier, maar dan met techniek. Een onderzeeboot heeft grote tanks die we ballasttanks noemen. Wanneer de onderzeeboot aan de oppervlakte vaart, zitten deze tanks vol met lucht. Hierdoor is de boot relatief licht en blijft hij drijven.

Als de kapitein wil duiken, worden de kranen opengezet en stroomt er zeewater in de tanks. De lucht wordt eruit geperst. De boot wordt nu veel zwaarder, terwijl hij even groot blijft. De zwaartekracht wint het van de opwaartse kracht en de boot zakt naar beneden. Om weer op te stijgen, gebruikt de bemanning sterke pompen om de tanks weer vol met lucht te blazen, waardoor het water eruit wordt geduwd. De boot wordt weer licht en drijft omhoog.

Hoe een blok ijzer toch kan drijven

Je weet nu dat ijzer normaal gesproken zinkt omdat de bouwsteentjes heel dicht op elkaar zitten. Maar als je naar de haven kijkt, zie je enorme schepen van staal en ijzer die gewoon drijven. Hoe kan dat? Dat lijkt wel magie! Toch is het pure natuurkunde. Het geheim zit hem in de vorm van het materiaal. Door een blok ijzer in een specifieke vorm te hameren, kun je ervoor zorgen dat het veel meer water wegduwt dan wanneer het een massief blokje zou blijven.

Stel je voor dat je een bolletje klei hebt. Als je dit bolletje in het water gooit, zinkt het direct naar de bodem. Klei is namelijk zwaarder dan water. Maar als je datzelfde bolletje klei uit de bak haalt en je maakt er een plat pannenkoekje van met hoge randen – een soort bootje dus – dan gebeurt er iets bijzonders: het drijft! Wat is er veranderd? De hoeveelheid klei is precies hetzelfde gebleven, maar de vorm is anders. Door de vorm van een bootje neemt de klei veel meer ruimte in beslag. In de binnenkant van het bootje zit namelijk ook lucht.