Noste

Noste on kappaletta ympäröivän väliaineen staattisen paineen kappaleeseen kohdistama voima. Noste johtuu hydrostaattisen paineen erosta kappaleen eri puolilla. Esimerkkejä nosteen vaikutuksesta ovat kuumailmapallon nouseminen ylöspäin, veneen kelluminen veden pinnalla sekä ilmakehän pystyvirtaukset, jotka muodostavat sääilmiöitä kumpupilvistä ukkosiin. Nosteessa on kyse staattisen paineen vaikutuksesta, eli voima ei ole peräisin kappaleen tai sitä ympäröivän väliaineen liikkeestä. Siten noste on eri asia kuin esimerkiksi siiven tuottama nostovoima, joka syntyy siiven taittaessa sen ympärillä virtaavan ilman kulkusuuntaa.

Nosteen muodostuminen 
Noste syntyy, kun kappaletta ympäröivä väliaine (tavallisesti kaasu tai neste) painaa kappaleen pintaa eri voimalla kappaleen eri puolilta. Tämä voimavaikutus selittää kappaleen kyvyn kellua vedessä tai nousta ilmakehässä ylöspäin. 

Tarkastellaan esimerkkinä 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 epätavallinen, kuten esimerkiksi kiertorata. Muissa tapauksissa noste vaikuttaa aina kaikkiin väliaineen ympäröiviin kappaleisiin.

Kappaleen liiketilan muutos johtuu kaikkien voimavaikutusten yhteisvaikutuksesta. Esimerkiksi heliumpallo nousee ylöspäin, koska palloon ympäröivästä ilmasta aiheutuva noste on suurempi kuin pallon kokema painovoima. Vastaavasti kivi putoaa maahan, koska sen kokema painovoima on suurempi kuin ilman aiheuttama noste. Sama periaate pätee myös vedessä ja kaikissa muissakin väliaineissa.

Arkhimedeen lain mukaan kappaleeseen kohdistuu voima eli noste, jos kappale on osittain tai kokonaan upotettu nesteeseen tai kaasuun. Noste on yhtä suuri, mutta suunnaltaan vastakkainen, kuin kappaleen syrjäyttämän neste- tai kaasumäärän paino. Nosteen suunta on suoraan kohti alempaa painetta ja vaikutuspiste kappaleen syrjäyttämän "väliainekappaleen" massakeskipiste. 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. Käytännön tavallisissa ilmiöissä nosteen havaitaan vaikuttavan lähes aina suoraan ylöspäin, koska tavallisissa tilanteissa veden- ja ilmanpaine alenee suoraan ylöspäin mentäessä. Kuitenkin esimerkiksi kiihtyvässä autossa olevan ilmapallon havaitaan pyrkivän eteenpäin, koska ilma pakkaantuu auton takaosaan ja muodostaa pystysuorasta hieman etuviistossa suuntautuvan painegradientin, ja ilmapallo pyrkii nosteen vaikutuksesta kohti pienempää painetta eli eteenpäin. Jarrutuksessa pallo pyrkii vastaavasti taaksepäin. Pallon ollessa narun varassa narun kallistuskulma voi olla huomattava riippuen auton suorituskyvystä ja tien kitkasta.

Miten noste ei muodostu 

Yksi tavallisista väärinkäsityksistä nosteen synnyssä on ajatella, että esimerkiksi 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 väliaineen, tässä ilman, erisuuruisesta staattisesta paineesta ilmalaivan ympärillä sen ylä- ja alaosien välillä. Ilmalaiva nostaisi suuremman kuorman, jos heliumkaasua imettäisiin ilmalaivasta pois sen tilavuus säilyttäen. Käytännössä ilmalaivaa olisi sisä- ja ulkopuolisen paine-eron vuoksi yhä vaikeampaa tehdä riittävän lujaksi kestämään ilmakehän paine luhistumatta ja samaan aikaan kevyemmäksi kuin tilavuutensa verran ympäröivää ilmaa.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Klassinen mekaniikka
Voimat
Seulonnan keskeiset artikkelit