Det luktar gott när du kommer ner i köket. En gryta står och kokar på spisen. På något sätt har partiklar från grytan rört sig genom rummet för att komma fram till din näsa. Innan det började koka luktade det inte lika mycket i köket. Vad är det som händer när en vätska börjar koka?

Om du lägger din hand på grytan bränner du dig. Energi från den varma grytan överförs till din hand och du kan skada dig.

När vi tillför energi till olika material kommer atomerna att röra sig fortare och materialet blir varmare. När du lägger din hand på den varma grytan överförs energi från grytan till handen. För att kyla ner din hand kan du lägga på en påse med krossad is. Energi från din varma hand kommer nu att smälta isen och handen kyls ner.

Vatten kan alltså var fast som en isbit, flytande som i grytan eller gas när grytan kokar. Vattenmolekylerna rör sig fortare och fortare när vi tillför energi (när vi värmer dem). Det ändrar hur mycket plats de tar. Även partiklarna i luften rör sig fortare när de blir varmare. En varmluftsballong som långsamt flyger fram över fälten kan göra det eftersom varm luft tar mer plats än kall. Vi säger att varm och kall luft har olika densitet. Vet du några andra saker som har olika densitet?

Det händer olika saker när vi värmer olika material. Om du håller en isbit i handen så smälter den. En lika stor glaskula kommer bara att bli lite varmare av värmen i din hand. Hur värme påverkar olika material och hur vi kan flytta värme mellan dem kallas termodynamik. Grytan på spisen är gjord av metall för att vi snabbt ska kunna värma innehållet. När vi värmer innehållet ökar temperaturen. Det händer att värme och temperatur blandas samman. Men det är inte samma sak.

När vi värmer något kan det också ändra fas. Isbiten i handen smälte och droppade ner på golvet. När vatten ändras, som när isbiten smälter eller vattnet kokar och blir vattenånga, ändras också hur kompakt det är. Vattenånga tar mer plats än flytande vatten, vi säger att de har olika densitet.

[Tre bilder: isbit, vatten, vattenånga]

Olika material kan också ha olika densitet. En kula gjord av trä väger mindre än en lika stor kula av metall. Trä har alltså lägre densitet än vatten och metall högre.

Olika material har inte bara olika densitet, de påverkas också på olika sätt när man värmer dem. När du kliver ur duschen känns klinkergolvet kallt mot dina bara fötter. Om du flyttar dig till badrumsmattan känns det mindre kallt. Men golvet och mattan har samma temperatur. Att golvet känns kallare beror på att värme leds snabbare från dina fötter till det materialet än till mattan. Olika material leder värme olika bra.

Vattnets lyftkraft är lika stor som tyngden av det vatten som ett föremål tränger undan.

Det innebär att allt som är lättare än vatten flyter i vatten. Vatten har densiteten 1 g/cm3. Is har densiteten 0,9 g/cm3 och därför är 90% av en isbit under vattenytan. En vanlig träbit med densiteten 0,5 cm3 flyter med hälften under vattenytan och hälften ovanför.

Hur vet man då hur stor densitet något har? Lite förenklat kan man säga att densitet är ett mått på hur mycket av ett ämne som får plats i ett visst utrymme. Vi mäter det som massan delat med volymen. Det kan till exempel vara kilogram per kubikmeter (kg/m^3), eller gram per kubikcentimeter (g/cm^3).

För att räkna ut ett föremåls densitet delar man alltså dess massa (hur mycket det väger) med volymen (hur stor plats det tar). Densitet brukar betecknas med grekiska bokstaven ρ [Blålänk: ρ uttalas “rå”], massa med m och volym med V. Formeln för att beräkna densitet kan då skrivas ρ = m / V.

Om man har en kub av bly med sidor som är 1 cm, och som väger ungefär 11 g, så kan vi alltså räkna ut att densiteten för bly är 11/1=11 g/cm^3. Densiteten för vatten är ungefär 1 g/cm^3. Vi vet att ett ämne flyter om det har lägre densitet än vätskan. Bly har högre densitet än vatten, och alltså sjunker vår kub.

Ta istället en kub av trä med sidor som är 10 cm, och som väger 350 g. Kuben har en volym på 10 × 10 × 10 = 1000 cm^3. Träet har då en densitet på 350/1000=0,35 g/cm^3. Kuben av trä är alltså större och tyngre än kuben av bly, men eftersom träet har lägre densitet än vatten kommer det att flyta, medan blykuben sjunker.

Vi ska nu se hur man kan räkna ut densiteten för en sten.

Med hjälp av en våg kan vi enkelt mäta att stenen väger 120 g. Men hur tar vi reda på stenens volym?. Ett sätt att göra det är att mäta hur mycket vattennivån stiger när man sänker ner stenen i vatten. Om det är en tillräckligt liten sten kan man använda ett mätglas, och läsa av vattennivån innan och efter att man lagt i stenen. I det här fallet ökar vattennivån med cirka 48 milliliter (ml), vilket betyder att stenens volym är 48 ml. 1 ml är 1 cm3, så stenens densitet blir 120 /48 = 2,5 g/cm3.

[2 bilder: 1) Sten på våg (som visar 120 g), 2) Mätglas med vatten, där det går att läsa av vattennivån. 3) Samma mätglas, nu med stenen i. Vattennivån har stigit 48 ml. ]

Ett av världens mest välbevarade skeppsvrak från 1600-talet finns i Stockholm. Det heter regalskeppet Vasa, och finns på Vasamuseet. En anledning till att Vasa är så välbevarad är att hon inte sjönk i krig, eller för att hon gått på grund. Istället var det en vindpust som fick henne att välta redan på sin första färd. Efter stora ansträngningar lyckades man på 1960-talet lyfta upp skeppet och restaurera henne. Numera är Vasa en populär attraktion. Men varför sjönk hon?

Vi vet alla att när vi lägger ner en isbit i ett vattenglas så flyter den. Den flyter på ett speciellt sätt, med största delen under ytan och plant i ett stabilt läge. Puttar vi till den återgår den till sitt ursprungliga läge. Så var det inte med Vasaskeppet. När det lutade åt sidan tappade det ”balansen”. Vasa låg helt enkelt inte tillräckligt djupt i vattnet. Skeppet trängde undan för lite vatten i förhållande till sin vikt.

Fysiken bakom detta, Arkimedes princip, kom greken Arkimedes på redan på 200-talet före Kristus. Vi vet att vi blir lättare när vi kryper ner i vattnet. Arkimedes förstod hur mycket lättare vi blir, nämligen precis lika mycket som det vatten vi tränger undan väger.

Arkimedes princip

Vattnets lyftkraft är lika stor som tyngden av det vatten som ett föremål tränger undan.

Det innebär att allt som är lättare än vatten flyter i vatten. Vatten har densiteten

1 g/cm3. Is har densiteten 0,9 g/cm3 och därför är 90% av en isbit under vattenytan. En vanlig träbit med densiteten 0,5 cm3 flyter med hälften under vattenytan och hälften ovanför.

Om man vill veta hur stabilt till exempel en båt flyter så behöver man ta reda på var båtens tyngdpunkt är. Sen behöver man också ta reda på var det undanträngda vattnets tyngdpunkt är. Förenklat kan man säga att ju lägre båtens tyngdpunkt är i förhållande till det undanträngda vattnet, desto stabilare flyter den. Vasaskeppet byggdes väldigt högt och smalt, och tyngdpunkten hamnade för högt upp. Hade Vasas tyngdpunkt legat lite lägre, hade hon inte vält. Ett sätt att sänka tyngdpunkten på ett skepp är att lägga något tungt i botten. Det kallas barlast. Men Vasa var verkligen felbyggt. Man hade kunnat lägga i tillräckligt mycket barlast för att få en tillräckligt låg tyngdpunkt så att hon inte välte av vinden. Men då skulle skeppet istället ha blivit så tungt att vatten hade börjat komma in genom kanonernas öppningar vid minsta krängning.