ใกล้เข้ามาแล้วสำหรับงานเทศกาลลอยกระทงของปี 2560 นี้ คงไม่มีใครที่ไม่เคยลอยกระทง แต่จะมีใครบ้างที่สังเกตและตั้งคำถามว่า ทำไมกระทงถึงลอยน้ำได้ และจะมีสักกี่คนที่รู้คำตอบของคำถามนี้จริง ๆ หลายคนอาจตอบว่าเพราะมันมีน้ำหนักเบา แต่ถ้าลองนึกภาพของเรือบรรทุกเครื่องบิน ซึ่งมีเครื่องบินหลายลำที่มีน้ำหนักมากกว่ากระทงหลายเท่าจอดรวมกันอยู่บนเรือ คงต้องกลับมาคิดใหม่ เพราะหากการลอยเหนือผิวน้ำเป็นเรื่องของน้ำหนักจริง ทำไมพาหนะที่มีน้ำหนักมากขนาดนี้ถึงไม่จมลงไปใต้น้ำ ในทางกลับกันของบางอย่างที่มีน้ำหนักไม่มากเท่าเรือกลับไม่สามารถลอยน้ำได้ คำอธิบายสำหรับเรื่องนี้ทางฟิสิกส์เราเรียกว่า แรงลอยตัวหรือแรงพยุง (Buoyancy Force)

แรงลอยตัวเป็นแรงดันที่ของเหลวกระทำต่อวัตถุในทิศทางตรงกันข้ามกับน้ำหนักของวัตถุ ตามธรรมชาติแล้ววัตถุควรจะถูกดึงลงด้วยแรงโน้มถ่วงของโลก (Gravity Force) แต่ด้วยแรงลอยตัวนี้เองที่ทำให้วัตถุไม่จมลงไป ยกตัวอย่างด้วยเรื่องใกล้ตัวของเรา เวลาที่เราใส่น้ำแข็งลงไปในน้ำดื่ม แรงโน้มถ่วงจะดึงก้อนน้ำแข็งลงไปก้นแก้ว แต่แรงลอยตัวจะดันก้อนน้ำแข็งให้ลอยขึ้นไป โดยก้อนน้ำแข็งจะลอยอยู่สูงหรือต่ำขึ้นอยู่กับค่าความหนาแน่น (Density) ของมัน

โดยทั่วไปวัตถุใด ๆ จะลอยหรือจมนั้นขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของมันและของของเหลวที่มันอยู่ เช่น แหวนหรือต่างหูอันเล็ก ๆ ที่มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ เมื่อนำไปใส่ลงในน้ำจะจมลง แต่สำหรับถุงพลาสติกที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ ต่อให้มีขนาดเท่ารถยนตร์ มันก็จะไม่จมลงไปแต่อย่างใด ส่วนวัตถุที่มีความหนาแน่นเท่ากับน้ำ  จะลอยอยู่ปริ่มน้ำ ซึ่งถ้าอาศัยหลักการนี้ ร่างกายของมนุษย์ก็มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ ทำให้เราไม่สามารถที่จะลอยบนน้ำได้ แต่หากอยากที่จะล่องลอยบนน้ำแล้วละก็ คุณต้องหาทะเลที่มีความหนาแน่นมากกว่าร่างกายของมนุษย์

หนึ่งในสถานที่ที่คุณสามารถลอยบนน้ำได้คือทะเลสาบเดดซี (Deadsea) ในประเทศจอร์แดน ทะเลสาบเดดซีแห่งนี้มีความเค็มมากกว่าทะเลหรือแม่น้ำอื่นอย่างมาก เนื่องด้วยปริมาณของเกลือที่อยู่ในทะเลสาบ ปริมาณของเกลือนี่เองทำให้ทะเลแห่งนี้มีความหนาแน่นมากกว่าแหล่งน้ำอื่น ๆ และด้วยความหนาแน่นของน้ำในทะเลสาบเดดซีนี้เองที่เป็นเหตุผลว่า ทำไมเราถึงสามารถลอยตัวอยู่ในทะเลสาบได้

อย่างไรก็ตาม น้ำหนักก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ทำให้วัตถุจมหรือลอย เนื่องจากตามหลักการแล้ว แรงลอยตัวจะมีค่าเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ด้วยวัตถุ หรือ B (แรงลอยตัว) =W (น้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่) = pgV(ความหนาแน่นของของเหลวxค่าความโน้มถ่วงโลกxปริมาตรของน้ำที่ถูกแทนที่) และถ้าเมื่อไรที่น้ำหนักของของเหลวมีปริมาตรเท่ากับวัตถุทั้งก้อน ก็จะไม่สามารถสร้างแรงลอยตัวเพิ่มได้อีก และทำให้วัตถุจมลง

สำหรับเรือนั้น เมื่อมีการตีโลหะออกเป็นแผ่น (ภายใต้ท้องเรือจึงไม่ได้เป็นลักษณะทรงตันแต่เป็นลักษณะกลวง) ปริมาตรของโลหะนั้นจะเพิ่มขึ้น ขณะที่มวลเท่าเดิม (D=m/V) ดังนั้น ความหนาแน่นโดยรวมจึงลดลงน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ ทำให้เรือสามารถลอยน้ำได้  ไม่ว่าเรือนั้นจะลอยอยู่บนผิวน้ำพอดี หรือจะบรรทุกน้ำหนักจนเริ่มจมลงเล็กน้อย หรือจะบรรทุกน้ำหนักมากจนจมลงไปมากกว่าครึ่งลำ แรงลอยตัวและน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่จะเพิ่มขึ้นแต่ก็ยังคงเท่ากันเสมอ เรือจึงยังลอยอยู่ได้ แต่มันก็ยังมีโอกาสที่จะจมลงหากปริมาณที่เรือจมลงใต้น้ำนั้นทำให้น้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่มีเพิ่มขึ้น และหากเรือบรรทุกหนักจนเรือจมลงใต้น้ำทั้งลำแบบพอดี หมายความว่าในตอนนี้เรือทั้งลำได้แทนที่น้ำทั้งหมดแล้ว ถ้าเราเพิ่มน้ำหนักลงไปแม้เพียงเล็กน้อย เรือก็จะเริ่มจมลงสู่ก้นทะเล นั่นทำให้เรือแต่ละลำมีน้ำหนักจำกัดที่สามารถรับไหวนั่นเอง ในทำนองเดียวกัน กระทงที่เรานำไปลอยก็มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำเช่นกัน แต่หากประดับตกแต่งจนกระทงมีน้ำหนักมากเกินไปกระทงของเราก็คงลอยไปได้ไม่ไกลถึงไหนเช่นกัน