Noste

Wikipedia

Noste tarkoittaa kappaleeseen kohdistuvaa kokonaisvoimaa, jonka kappaletta ympäröivä väliaine (vesi, ilma jne.) paine-erollaan aiheuttaa. Esimerkkejä tästä ilmiöstä ovat kuumailmapallon nouseminen ylöspäin, veneen kelluminen veden pinnalla sekä ilmakehän pystyvirtaukset, jotka muodostavat sääilmiöitä kumpupilvistä ukkosiin. Noste syntyy, kun kappaletta ympäröivä väliaine painaa kappaleen pintaa eri voimalla eri puolilta pyrkien työntämään kappaleen liikkeelle. Eri suunnista vaikuttavien painevoimien yhteisvaikutuksella, kokonaisvoimalla, on siis jokin suunta ja suuruus.

Tarkastellaan veteen upotettua kappaletta. Koska paine kasvaa syvyyden kasvaessa, kappaleen pintaan kohdistuu suurempi paine kappaleen alaosissa kuin yläosissa. Tämä paine-erosta syntyvä voima, noste, työntää kappaletta suoraan kohti pienempää painetta. Jos väliaineessa ei esiinny paine-eroa kappaleen ympärillä, ei myöskään nostetta muodostu. Käytännössä tällainen tilanne on mahdollinen vain painottomassa tilassa, esimerkiksi kiertoradalla. Muissa tapauksissa noste vaikuttaa aina kaikkiin väliaineen ympäröiviin kappaleisiin.

Kappaleen liiketila muuttuu aina kaikkien vaikuttavien voimien yhteisvaikutuksesta. Esimerkiksi vappupallo nousee ylöspäin, koska ympäröivän ilman palloon kohdistama noste on suurempi kuin pallon kokema painovoima. Vastaavasti kivi putoaa maahan, koska sen kokema painovoima on suurempi kuin ympäröivän ilman aiheuttama noste. Sama periaate pätee myös vedessä ja kaikissa muissakin väliaineissa.

Voidaan osoittaa, että nosteen voima on yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän väliaineen paino. Tämä tunnetaan Arkhimedeen lakina. Esimerkiksi tilavuudeltaan 1 litran kokoinen kappale kokee veteen upotettuna noin 1 kg x 9,81 m/s² = 9,81 N nosteen riippumatta siitä, mistä materiaalista kyseinen kappale on tehty, minkä muotoinen tai miten raskas se on. Sama kappale kokee maan pinnalla ilmakehän vaikutuksesta noin 0,001 m³ x 1,2 kg/m³ x 9,81 m/s² = 0,01 N nosteen. Voidaan yleistää, että jos kappaleen tiheys on pienempi kuin ympäröivän väliaineen tiheys, on noste suurempi voima kuin paino.

Nosteen vaikutussuunta on siis suoraan suuremmasta paineesta kohti pienempää painetta. Siten noste ei vaikuta vain pystysuunnassa, vaikka näin usein onkin. Esimerkiksi ajoneuvossa oleva ja narustaan kiinnitetty vappupallo kallistuu jarrutettaessa taaksepäin, koska ajoneuvon sisäilma pakkaantuu ajoneuvon keulaa kohti ja aiheuttaa pitkittäisen paine-eron, joka puolestaan kohdistaa sisällä oleviin kappaleisiin taaksepäin suuntautuvan nosteen, ylöspäin suuntautuvan nosteen lisäksi.

Miten noste ei muodostu

Yksi tavallisista väärinkäsityksistä nosteen synnyssä on ajatella, että vaikkapa ilmalaivan sisällä oleva heliumkaasu pyrkisi nousemaan itsestään ylöspäin ja vetäisi ilmalaivan mukanaan. Näin ei voi olla, sillä painovoima vaikuttaa ilmalaivan sisällä olevaan heliumkaasuun kuten mihin tahansa aineeseen, eli vetää sitä kohti Maata.

Kuten jo todettiin, noste on peräisin kappaletta ympäröivästä väliaineesta, tässä tapauksessa ilmasta. Ilmalaiva nostaisi suuremman kuorman, jos heliumkaasu imettäisiin ilmalaivasta pois ja jätettäisiin tyhjiöksi (ilmalaivan tilavuus säilyttäen). Käytännössä ilmalaivaa olisi tällöin erittäin vaikeaa ellei mahdotonta tehdä riittävän lujaksi kestämään ilmakehän paine luhistumatta ja samaan aikaan kevyemmäksi kuin tilavuutensa verran ympäröivää ilmaa.