LEY DE ARQUIMEDES- la ley de la estática de líquidos y gases, según la cual una fuerza de flotación actúa sobre un cuerpo sumergido en un líquido (o gas), igual al peso fluidos en el cuerpo.
El hecho de que una cierta fuerza actúa sobre un cuerpo sumergido en agua es bien conocido por todos: los cuerpos pesados parecen volverse más livianos, por ejemplo, nuestro propio cuerpo cuando se sumerge en un baño. Nadando en un río o en el mar, puedes levantar y mover fácilmente piedras muy pesadas por el fondo, que no podemos levantar en tierra; el mismo fenómeno se observa cuando, por alguna razón, una ballena se lava en la orilla - fuera ambiente acuático el animal no puede moverse, su peso excede las capacidades de su sistema muscular. Al mismo tiempo, los cuerpos livianos resisten sumergirse en el agua: se necesita fuerza y destreza para hundir una bola del tamaño de una pequeña sandía; lo más probable es que no sea posible sumergir una bola con un diámetro de medio metro. Es intuitivamente claro que la respuesta a la pregunta de por qué un cuerpo flota (y otro se hunde) está íntimamente relacionada con la acción de un fluido sobre un cuerpo sumergido en él; uno no puede estar satisfecho con la respuesta de que los cuerpos livianos flotan y los cuerpos pesados se hunden: una placa de acero, por supuesto, se hundirá en el agua, pero si haces una caja con ella, entonces puede flotar; mientras que su peso no cambió. Para comprender la naturaleza de la fuerza que actúa sobre un cuerpo sumergido del líquido, basta con considerar un ejemplo simple (Fig. 1).
cubo con arista a sumergido en agua, y tanto el agua como el cubo están inmóviles. Se sabe que la presión en un líquido pesado aumenta en proporción a la profundidad; es obvio que una columna más alta de líquido presiona con más fuerza sobre la base. Es mucho menos obvio (o nada obvio) que esta presión actúa no solo hacia abajo, sino también hacia los lados y hacia arriba con la misma intensidad: esta es la ley de Pascal.
Si consideramos las fuerzas que actúan sobre el cubo (Fig. 1), entonces, debido a la simetría obvia, las fuerzas que actúan sobre el cubo opuesto caras laterales, iguales y de dirección opuesta: intentan comprimir el cubo, pero no pueden afectar su equilibrio o movimiento. Hay fuerzas que actúan sobre las caras superior e inferior. Dejar h es la profundidad de inmersión de la cara superior, r es la densidad del líquido, gramo es la aceleración de la gravedad; entonces la presión en la parte superior es
r· gramo · h = pag 1
y en la parte inferior
r· gramo(h+a)=p 2
La fuerza de presión es igual a la presión multiplicada por el área, es decir
F 1 = pag 1 · a\up122, F 2 = pag 2 · a\up122 , donde a- la arista del cubo,
y fuerza F 1 se dirige hacia abajo, y la fuerza F 2 - arriba. Por lo tanto, la acción del líquido sobre el cubo se reduce a dos fuerzas: F 1 y F 2 y está determinada por su diferencia, que es la fuerza de flotación:
F 2 – F 1 =r· gramo· ( h+a)a\up122- rgha· a 2 = pga 2
La fuerza es flotante, ya que la cara inferior, por supuesto, está situada más abajo que la superior y la fuerza hacia arriba es mayor que la fuerza hacia abajo. Valor F 2 – F 1 = pga 3 es igual al volumen del cuerpo (cubo) a 3 multiplicado por el peso de un centímetro cúbico de líquido (si tomamos 1 cm como unidad de longitud). En otras palabras, la fuerza de flotación, a menudo denominada fuerza de Arquímedes, es igual al peso del fluido en el volumen del cuerpo y está dirigida hacia arriba. Esta ley fue establecida por el antiguo científico griego Arquímedes, uno de los más grandes científicos de la Tierra.
Si un cuerpo de forma arbitraria (Fig. 2) ocupa un volumen dentro del líquido V, entonces la acción del fluido sobre el cuerpo está completamente determinada por la presión distribuida sobre la superficie del cuerpo, y notamos que esta presión es completamente independiente del material del cuerpo - ("al fluido no le importa qué poner presión sobre").
Para determinar la fuerza de presión resultante en la superficie del cuerpo, es necesario eliminar mentalmente del volumen V cuerpo dado y llenar (mentalmente) este volumen con el mismo líquido. Por un lado, hay un recipiente con un líquido en reposo, por otro lado, dentro del volumen V- un cuerpo que consta de un fluido dado, y este cuerpo está en equilibrio bajo la acción de su propio peso (fluido pesado) y la presión del fluido sobre la superficie del volumen V. Como el peso del líquido en el volumen del cuerpo es pgV y está equilibrado por la resultante de las fuerzas de presión, entonces su valor es igual al peso del líquido en el volumen V, es decir. pgV.
Habiendo hecho mentalmente la sustitución inversa - colocando en el volumen V este cuerpo y observando que este reemplazo no afectará la distribución de las fuerzas de presión en la superficie del volumen V, podemos concluir: un cuerpo sumergido en un fluido pesado en reposo recibe una fuerza hacia arriba (fuerza de Arquímedes) igual al peso del fluido en el volumen de este cuerpo.
De manera similar, se puede demostrar que si un cuerpo está parcialmente sumergido en un líquido, entonces la fuerza de Arquímedes es igual al peso del líquido en el volumen de la parte sumergida del cuerpo. Si en este caso la fuerza de Arquímedes es igual al peso, entonces el cuerpo flota sobre la superficie del líquido. Es obvio que si inmersión completa la fuerza de Arquímedes es menor que el peso del cuerpo, entonces se hundirá. Arquímedes introdujo el concepto de "gravedad específica" gramo, es decir. peso por unidad de volumen de una sustancia: gramo = pág.; si tomamos eso por agua gramo= 1 , entonces un cuerpo sólido de materia, en el que gramo> 1 se hundirá, y en gramo < 1 будет плавать на поверхности; при gramo= 1 el cuerpo puede flotar (colgarse) dentro del fluido. Como conclusión, observamos que la ley de Arquímedes describe el comportamiento de los globos en el aire (en reposo a bajas velocidades).
Vladímir Kuznetsov
A menudo, los descubrimientos científicos son el resultado de la mera casualidad. Pero solo las personas con una mente entrenada pueden apreciar la importancia de una simple coincidencia y sacar conclusiones de gran alcance de ella. gracias a la cadena eventos aleatorios en la física apareció la ley de Arquímedes, que explica el comportamiento de los cuerpos en el agua.
Tradición
En Siracusa, Arquímedes era legendario. Una vez el gobernante de esta gloriosa ciudad dudó de la honestidad de su joyero. La corona, hecha para el gobernante, debía contener una cierta cantidad de oro. Comprueba este hecho instruido Arquímedes.
Arquímedes estableció que los cuerpos en el aire y en el agua tienen pesos diferentes, y la diferencia es directamente proporcional a la densidad del cuerpo medido. Al medir el peso de la corona en el aire y el agua, y al realizar un experimento similar con una pieza entera de oro, Arquímedes demostró que existía una mezcla de un metal más ligero en la corona hecha.
Según la leyenda, Arquímedes hizo este descubrimiento en una bañera, observando el agua salpicada. Lo que sucedió después con el joyero deshonesto, la historia no dice nada, pero la conclusión del científico de Siracusa formó la base de una de las leyes más importantes de la física, que conocemos como la ley de Arquímedes.
Fraseología
Arquímedes describió los resultados de sus experimentos en el trabajo "Sobre cuerpos flotantes", que, desafortunadamente, ha sobrevivido hasta el día de hoy solo en forma de fragmentos. La física moderna describe la ley de Arquímedes como la fuerza total que actúa sobre un cuerpo sumergido en un líquido. La fuerza de flotación de un cuerpo en un fluido se dirige hacia arriba; su valor absoluto es igual al peso del fluido desplazado.
La acción de líquidos y gases sobre un cuerpo sumergido.
Cualquier objeto sumergido en un líquido experimenta fuerzas de presión. En cada punto de la superficie del cuerpo, estas fuerzas se dirigen perpendicularmente a la superficie del cuerpo. Si fueran iguales, el cuerpo experimentaría solo compresión. Pero las fuerzas de presión aumentan en proporción a la profundidad, por lo que la superficie inferior del cuerpo experimenta más compresión que la superior. Puedes considerar y sumar todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo en el agua. El vector final de su dirección se dirigirá hacia arriba, el cuerpo es empujado fuera del líquido. La magnitud de estas fuerzas está determinada por la ley de Arquímedes. La navegación de los cuerpos se basa enteramente en esta ley y en varias consecuencias de la misma. Las fuerzas de Arquímedes también actúan en los gases. Es gracias a estas fuerzas de flotabilidad que las aeronaves vuelan en el cielo y Globos: debido al desplazamiento del aire, se vuelven más ligeros que el aire.
fórmula física
Visualmente, el poder de Arquímedes puede demostrarse con un simple pesaje. Al pesar un peso de entrenamiento en el vacío, en el aire y en el agua, se puede ver que su peso cambia significativamente. En el vacío, el peso del peso es uno, en el aire, un poco más bajo, y en el agua, incluso más bajo.
Si tomamos el peso de un cuerpo en el vacío como P o, entonces su peso en el aire se puede describir mediante la siguiente fórmula: P en \u003d P o - F a;
aquí P sobre - peso en el vacío;
Como se puede ver en la figura, cualquier acción con pesaje en agua aligera significativamente el cuerpo, por lo tanto, en tales casos, se debe tener en cuenta la fuerza de Arquímedes.
Para el aire, esta diferencia es insignificante, por lo que normalmente el peso de un cuerpo sumergido en el aire se describe mediante una fórmula estándar.
La densidad del medio y la fuerza de Arquímedes.
Al analizar los experimentos más simples con el peso de un cuerpo en varios medios, se puede llegar a la conclusión de que el peso de un cuerpo en varios medios depende de la masa del objeto y la densidad del medio de inmersión. Además, cuanto más denso es el medio, mayor es la fuerza de Arquímedes. La ley de Arquímedes vinculó esta relación y la densidad de un líquido o gas se refleja en su fórmula final. ¿Qué más influye en este poder? En otras palabras, ¿de qué características depende la ley de Arquímedes?
Fórmula
La fuerza de Arquímedes y las fuerzas que la afectan se pueden determinar usando un razonamiento lógico simple. Supongamos que un cuerpo de cierto volumen, sumergido en un líquido, consta del mismo líquido en el que está sumergido. Esta suposición no contradice ninguna otra suposición. Después de todo, las fuerzas que actúan sobre un cuerpo de ninguna manera dependen de la densidad de este cuerpo. En este caso, lo más probable es que el cuerpo esté en equilibrio y la fuerza de flotación sea compensada por la gravedad.
Así, el equilibrio de un cuerpo en agua se describirá como sigue.
Pero la fuerza de la gravedad, por la condición, es igual al peso del líquido que desplaza: la masa del líquido es igual al producto de la densidad por el volumen. Sustituyendo los valores conocidos, puede averiguar el peso del cuerpo en el líquido. Este parámetro se describe como ρV * g.
Sustituyendo valores conocidos, obtenemos:
Esta es la ley de Arquímedes.
La fórmula que hemos obtenido describe la densidad como la densidad del cuerpo bajo estudio. Pero en las condiciones iniciales se indicó que la densidad del cuerpo es idéntica a la densidad del fluido circundante. Por lo tanto, en esta fórmula, puede sustituir con seguridad el valor de la densidad del líquido. La observación visual, según la cual la fuerza de flotación es mayor en un medio más denso, ha recibido una justificación teórica.
Aplicación de la ley de Arquímedes
Los primeros experimentos que demuestran la ley de Arquímedes se conocen desde la época escolar. Una placa de metal se hunde en el agua, pero, plegada en forma de caja, no solo puede mantenerse a flote, sino también transportar cierta carga. Esta regla es la conclusión más importante de la regla de Arquímedes, determina la posibilidad de construir embarcaciones fluviales y marítimas, teniendo en cuenta su capacidad máxima (desplazamiento). Después de todo, la densidad del agua dulce y del mar es diferente, y los barcos y submarinos deben tener en cuenta las diferencias en este parámetro al ingresar a las desembocaduras de los ríos. Un cálculo incorrecto puede provocar un desastre: el barco encallará y se requerirán esfuerzos significativos para levantarlo.
La ley de Arquímedes también es necesaria para los submarinistas. El hecho es que la densidad del agua de mar cambia su valor según la profundidad de inmersión. El cálculo correcto de la densidad permitirá a los buceadores calcular correctamente la presión del aire dentro del traje, lo que afectará a la maniobrabilidad del buceador y garantizará su inmersión y ascenso seguros. También hay que tener en cuenta el principio de Arquímedes en la perforación en aguas profundas, los enormes equipos de perforación pierden hasta un 50% de su peso, lo que abarata su transporte y operación.
El texto de la obra se coloca sin imágenes ni fórmulas.
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Introducción
Relevancia: Si observa de cerca el mundo que lo rodea, puede descubrir muchos eventos que tienen lugar a su alrededor. Desde la antigüedad, el hombre ha estado rodeado de agua. Cuando nadamos en él, nuestro cuerpo empuja algunas fuerzas hacia la superficie. Me he estado haciendo la pregunta durante mucho tiempo: “¿Por qué los cuerpos flotan o se hunden? ¿El agua empuja las cosas?
Mi investigación tiene como objetivo profundizar los conocimientos adquiridos en la lección sobre la fuerza de Arquímedes. Respuestas a mis preguntas usando experiencia de vida, observaciones de la realidad circundante, realizar sus propios experimentos y explicar sus resultados, lo que ampliará los conocimientos sobre este tema. Todas las ciencias están interconectadas. Y el objeto común de estudio de todas las ciencias es el hombre "más" la naturaleza. Estoy seguro de que el estudio de la acción de la fuerza de Arquímedes es relevante en la actualidad.
Hipótesis: Supongo que en casa es posible calcular la magnitud de la fuerza de flotación que actúa sobre un cuerpo sumergido en un líquido y determinar si depende de las propiedades del líquido, el volumen y la forma del cuerpo.
Objeto de estudio: Flotabilidad en líquidos.
Tareas:
Estudiar la historia del descubrimiento de la fuerza de Arquímedes;
Estudiar la literatura educativa sobre la acción de la fuerza de Arquímedes;
Desarrollar habilidades para realizar un experimento independiente;
Demuestre que el valor de la fuerza de flotación depende de la densidad del líquido.
Métodos de búsqueda:
Investigación;
Estimado;
Recuperación de información;
Observaciones
1. Descubrimiento del poder de Arquímedes
Hay una famosa leyenda sobre cómo Arquímedes corrió por la calle y gritó "¡Eureka!" Esto solo habla de su descubrimiento de que la fuerza de flotación del agua es igual en valor absoluto al peso del agua desplazada por ella, cuyo volumen es igual al volumen del cuerpo sumergido en ella. Este descubrimiento se llama la ley de Arquímedes.
En el siglo III aC, vivió Hierón, el rey de la antigua ciudad griega de Siracusa, y quería hacerse una nueva corona de oro puro. Lo midió estrictamente según lo necesitado, y le dio una orden al joyero. Un mes después, el maestro devolvió el oro en forma de corona y pesaba tanto como la masa de este oro. Pero después de todo, puede pasar cualquier cosa y el maestro podría hacer trampa agregando plata o, peor aún, cobre, porque no se puede ver a simple vista, y la masa es como debería ser. Y el rey quiere saber: ¿el trabajo se hace honestamente? Y luego, le pidió al científico Arquímedes que verificara si el maestro hizo su corona de oro puro. Como sabes, la masa de un cuerpo es igual al producto de la densidad de la sustancia de la que está hecho el cuerpo y su volumen:. Si diferentes cuerpos la misma masa, pero están hechos de diferentes sustancias, lo que significa que tendrán un volumen diferente. Si el maestro no hubiera devuelto al rey una corona de joya, cuyo volumen no se puede determinar debido a su complejidad, sino una pieza de metal de la misma forma que el rey le había dado, entonces quedaría claro de inmediato si mezcló otro metal allí o no. Y mientras se bañaba, Arquímedes notó que salía agua. Sospechó que se derramó exactamente en el volumen que ocupan las partes de su cuerpo sumergidas en agua. Y Arquímedes se dio cuenta de que el volumen de la corona puede determinarse por el volumen de agua desplazado por ella. Bueno, si puedes medir el volumen de la corona, entonces se puede comparar con el volumen de una pieza de oro, igual en masa. Arquímedes sumergió la corona en agua y midió cómo aumentaba el volumen de agua. También sumergió en agua una pieza de oro, cuya masa era la misma que la de la corona. Y luego midió cómo había aumentado el volumen de agua. Los volúmenes de agua desplazados en los dos casos fueron diferentes. Así, el maestro fue condenado por engaño y la ciencia se enriqueció con un descubrimiento notable.
Se sabe por la historia que el problema de la corona de oro llevó a Arquímedes a estudiar la cuestión de la flotación de los cuerpos. Los experimentos llevados a cabo por Arquímedes se describen en el ensayo "Sobre los cuerpos flotantes", que nos ha llegado. Arquímedes formula la séptima oración (teorema) de este trabajo de la siguiente manera: los cuerpos más pesados que un líquido, sumergidos en este líquido, se hundirán hasta llegar al fondo, y en el líquido se volverán más livianos por el peso del líquido. en un volumen igual al volumen del cuerpo sumergido.
Curiosamente, la fuerza de Arquímedes es cero cuando un cuerpo sumergido en un líquido es denso, con toda su base presionada contra el fondo.
El descubrimiento de la ley básica de la hidrostática es el mayor logro de la ciencia antigua.
2. Formulación y explicación de la ley de Arquímedes
La ley de Arquímedes describe la acción de líquidos y gases sobre un cuerpo sumergido en ellos, y es una de las principales leyes de la hidrostática y la estática de los gases.
La ley de Arquímedes se formula de la siguiente manera: sobre un cuerpo sumergido en un líquido (o gas) actúa una fuerza de flotación igual al peso del líquido (o gas) en el volumen de la parte sumergida del cuerpo; esta fuerza se llama el poder de arquimedes:
,
donde es la densidad del líquido (gas), es la aceleración caida libre, - el volumen de la parte sumergida del cuerpo (o la parte del volumen del cuerpo debajo de la superficie).
Por lo tanto, la fuerza de Arquímedes depende únicamente de la densidad del líquido en el que está sumergido el cuerpo y del volumen de este cuerpo. Pero no depende, por ejemplo, de la densidad de la sustancia de un cuerpo sumergido en un líquido, ya que esta cantidad no está incluida en la fórmula resultante.
Cabe señalar que el cuerpo debe estar completamente rodeado por el líquido (o cruzarse con la superficie del líquido). Entonces, por ejemplo, la ley de Arquímedes no se puede aplicar a un cubo que se encuentra en el fondo del tanque, tocando herméticamente el fondo.
3. Determinación de la fuerza de Arquímedes.
La fuerza con la que un cuerpo en un líquido es empujado hacia afuera se puede determinar experimentalmente usando este dispositivo:
Colgamos un cubo pequeño y un cuerpo cilíndrico en un resorte fijado en un trípode. Marcamos el estiramiento del resorte con una flecha en un trípode, que muestra el peso del cuerpo en el aire. Levantando el cuerpo, sustituimos un vaso con un tubo de drenaje debajo, lleno de líquido hasta el nivel del tubo de drenaje. Luego todo el cuerpo se sumerge en el líquido. En este caso, una parte del líquido, cuyo volumen es igual al volumen del cuerpo, se vierte desde el recipiente de vertido en un vaso. El puntero del resorte sube, el resorte se contrae, lo que indica una disminución en el peso del cuerpo en el líquido. EN este caso el cuerpo, junto con la fuerza de la gravedad, también se ve afectado por la fuerza que lo empuja fuera del fluido. Si vierte líquido del vaso en el balde (es decir, el que fue desplazado por el cuerpo), el puntero de resorte volverá a su posición inicial.
Basándonos en esta experiencia, podemos concluir que la fuerza que expulsa un cuerpo completamente sumergido en un líquido es igual al peso del líquido en el volumen de este cuerpo. La dependencia de la presión en un líquido (gas) de la profundidad de inmersión de un cuerpo conduce a la aparición de una fuerza de flotación (fuerza de Arquímedes) que actúa sobre cualquier cuerpo sumergido en un líquido o gas. El cuerpo se mueve hacia abajo bajo la influencia de la gravedad. La fuerza de Arquímedes siempre se dirige en sentido contrario a la gravedad, por lo que el peso de un cuerpo en un líquido o gas siempre es menor que el peso de este cuerpo en el vacío.
Esta experiencia confirma que la fuerza de Arquímedes es igual al peso del líquido en el volumen del cuerpo.
4. Estado de los cuerpos flotantes
Dos fuerzas actúan sobre un cuerpo dentro de un líquido: la gravedad, dirigida verticalmente hacia abajo, y la fuerza de Arquímedes, dirigida verticalmente hacia arriba. Considere lo que le sucederá al cuerpo bajo la acción de estas fuerzas, si al principio estaba inmóvil.
En este caso, son posibles tres casos:
1) Si la fuerza de gravedad es mayor que la fuerza de Arquímedes, entonces el cuerpo se hunde, es decir, se hunde:
, entonces el cuerpo se hunde;
2) Si el módulo de gravedad es igual al módulo de la fuerza de Arquímedes, entonces el cuerpo puede estar en equilibrio dentro del fluido a cualquier profundidad:
, entonces el cuerpo flota;
3) Si la fuerza de Arquímedes es mayor que la fuerza de gravedad, entonces el cuerpo se elevará del líquido - flotará:
, entonces el cuerpo flota.
Si el cuerpo flotante sobresale parcialmente por encima de la superficie del líquido, entonces el volumen de la parte sumergida del cuerpo flotante es tal que el peso del líquido desplazado es igual al peso del cuerpo flotante.
La fuerza de Arquímedes es mayor que la fuerza de gravedad si la densidad del líquido es mayor que la densidad del cuerpo sumergido en el líquido, si
1) \u003d - el cuerpo flota en un líquido o gas, 2) >el cuerpo se hunde 3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Son estos principios de la relación entre la gravedad y la fuerza de Arquímedes los que se utilizan en la construcción naval. Sin embargo, enormes embarcaciones fluviales y marítimas hechas de acero, cuya densidad es casi 8 veces mayor que la densidad del agua, se mantienen en el agua. Esto se explica por el hecho de que solo un casco de barco relativamente delgado está hecho de acero, y La mayoría de su volumen está ocupado por aire. En este caso, el valor promedio de la densidad del barco resulta ser mucho menor que la densidad del agua; por lo tanto, no solo no se hunde, sino que también puede transportarse un gran número de carga. Los barcos que flotan en ríos, lagos, mares y océanos están construidos con diferentes materiales con diferentes densidades. El casco de los barcos suele estar hecho de láminas de acero. Todos los sujetadores internos que dan fuerza a los barcos también están hechos de metales. Para la construcción de barcos se utilizan diferentes materiales, tanto de mayor como de menor densidad en comparación con el agua. El peso del agua desplazada por la parte sumergida del barco es igual al peso del barco con carga en el aire o la fuerza de gravedad que actúa sobre el barco con carga.
Para la aeronáutica se utilizaron primero los globos, que antes se llenaban con aire caliente, ahora con hidrógeno o helio. Para que la pelota se eleve en el aire, es necesario que la fuerza de Arquímedes (flotante) que actúa sobre la pelota sea mayor que la fuerza de gravedad.
5. Realización de un experimento
Investigar el comportamiento de un huevo crudo en líquidos de varios tipos.
Tarea: demostrar que el valor de la fuerza de flotación depende de la densidad del líquido.
tomé uno un huevo crudo y líquidos de diversa índole (Apéndice 1):
El agua está limpia;
Agua saturada de sal;
Aceite de girasol.
Primero dejé caer un huevo crudo en agua limpia- el huevo se ahogó - "se fue al fondo" (Apéndice 2). Luego en un vaso agua limpia agregué una cucharada sal de mesa, como resultado, el huevo flota (Apéndice 3). Y finalmente, bajé el huevo en un vaso con aceite de girasol; el huevo se hundió hasta el fondo (Apéndice 4).
Conclusión: en el primer caso, la densidad del huevo es mayor que la densidad del agua, por lo que el huevo se hundió. En el segundo caso, la densidad del agua salada es mayor que la densidad del huevo, por lo que el huevo flota en el líquido. En el tercer caso, la densidad del huevo también es mayor que la densidad aceite de girasol así que el huevo se hundió. Por lo tanto, cuanto mayor sea la densidad del líquido, menor será la fuerza de gravedad.
2. La acción de la fuerza de Arquímedes sobre el cuerpo humano en el agua.
Determinar por experiencia la densidad del cuerpo humano, compararla con la densidad del agua dulce y del mar y sacar una conclusión sobre la posibilidad fundamental de que una persona nade;
Calcula el peso de una persona en el aire, la fuerza de Arquímedes que actúa sobre una persona en el agua.
Primero, usé una balanza para medir mi peso corporal. Luego midió el volumen del cuerpo (sin el volumen de la cabeza). Para hacer esto, eché suficiente agua en la bañera para que cuando me sumergiera en el agua, estuviera completamente dentro del agua (excepto la cabeza). Luego, con la ayuda de una cinta de centímetros, marqué desde el borde superior de la bañera la distancia hasta el nivel del agua ℓ 1, y luego, cuando estaba sumergido en agua, ℓ 2. Después de eso, usando una jarra precalibrada de tres litros, comencé a verter agua en el baño desde el nivel ℓ 1 hasta el nivel ℓ 2, así que medí el volumen de agua desplazado por mí (Apéndice 5). Calculé la densidad usando la fórmula:
La fuerza de gravedad que actúa sobre un cuerpo en el aire se calculó mediante la fórmula: , donde es la aceleración de caída libre ≈ 10 . El valor de la fuerza de flotabilidad se calculó utilizando la fórmula descrita en el párrafo 2.
Conclusión: El cuerpo humano es más denso que el agua dulce, lo que significa que se hunde en ella. Es más fácil para una persona nadar en el mar que en un río, ya que la densidad del agua del mar es mayor, y por lo tanto mas valor fuerza de flotación.
Conclusión
En el proceso de trabajar en este tema, aprendimos muchas cosas nuevas e interesantes para nosotros. El círculo de nuestro conocimiento ha aumentado no solo en el campo de acción de la fuerza de Arquímedes, sino también en su aplicación en la vida. Antes de comenzar a trabajar, teníamos una idea lejos de ser detallada. Durante los experimentos, confirmamos experimentalmente la validez de la ley de Arquímedes y descubrimos que la fuerza de flotación depende del volumen del cuerpo y la densidad del líquido, cuanto mayor es la densidad del líquido, mayor es la fuerza de Arquímedes. La fuerza resultante, que determina el comportamiento de un cuerpo en un fluido, depende de la masa, el volumen del cuerpo y la densidad del fluido.
Además de los experimentos realizados, literatura adicional sobre el descubrimiento del poder de Arquímedes, sobre la navegación de los cuerpos, la aeronáutica.
Cada uno de ustedes puede hacer descubrimientos asombrosos, y para esto no necesita tener ningún conocimiento especial o equipo poderoso. Solo necesita mirar más de cerca el mundo que nos rodea, ser un poco más independiente en sus juicios, y los descubrimientos no lo harán esperar. La falta de voluntad de la mayoría de la gente para saber el mundo deja mucho espacio para los curiosos en los lugares más inesperados.
Bibliografía
1. Gran libro de experimentos para escolares - M.: Rosmen, 2009. - 264 p.
2. Wikipedia: https://ru.wikipedia.org/wiki/Law_Archimedes.
3. Perelman Ya.I. Física entretenida. - libro 1. - Ekaterimburgo.: Tesis, 1994.
4. Perelman Ya.I. Física entretenida. - libro 2. - Ekaterimburgo.: Tesis, 1994.
5. Perishkin A.V. Física: grado 7: libro de texto para Instituciones educacionales/ AV Perishkin. - 16ª ed., estereotipo. - M.: Avutarda, 2013. - 192 p.: il.
Anexo 1
Anexo 2
Anexo 3
Apéndice 4
La razón de la aparición de la fuerza de Arquímedes es la diferencia de presión del medio a diferentes profundidades. Por lo tanto, la fuerza de Arquímedes surge solo en presencia de la gravedad. En la Luna, será seis veces, y en Marte, 2,5 veces menos que en la Tierra.
No hay fuerza de Arquímedes en la ingravidez. Si imaginamos que la gravedad en la Tierra desapareció repentinamente, entonces todos los barcos en los mares, océanos y ríos con el más mínimo empujón irán a cualquier profundidad. Pero la tensión superficial del agua, que no depende de la gravedad, no les permitirá subir, por lo que no podrán despegar, se ahogarán todos.
¿Cómo se manifiesta el poder de Arquímedes?
La magnitud de la fuerza de Arquímedes depende del volumen del cuerpo sumergido y de la densidad del medio en el que se encuentra. Es exacto desde el punto de vista moderno: un cuerpo sumergido en un medio líquido o gaseoso en el campo de gravedad se ve afectado por una fuerza de flotación exactamente igual al peso del medio desplazado por el cuerpo, es decir, F = ρgV, donde F es la fuerza de Arquímedes; ρ es la densidad del medio; g es la aceleración de caída libre; V es el volumen del líquido (gas) desplazado por el cuerpo o parte de él sumergido.
Si en agua dulce una fuerza de flotación de 1 kg (9,81 N) actúa sobre cada litro del volumen de un cuerpo sumergido, entonces en agua de mar, cuya densidad es de 1.025 kg * cu. dm, la fuerza de Arquímedes de 1 kg 25 g actuará sobre el mismo litro de volumen.Para una persona de constitución media, la diferencia en la fuerza de apoyo del mar y el agua dulce será de casi 1,9 kg. Por lo tanto, nadar en el mar es más fácil: imagina que necesitas nadar al menos en un estanque sin corriente con una mancuerna de dos kilos en el cinturón.
La fuerza de Arquímedes no depende de la forma del cuerpo sumergido. Tome un cilindro de hierro, mida su fuerza desde el agua. Luego enrolle este cilindro en una hoja, sumérjalo en agua de forma plana y de canto. En los tres casos, la fuerza de Arquímedes será la misma.
A primera vista, es extraño, pero si la hoja se sumerge completamente, la disminución de la diferencia de presión para una hoja delgada se compensa con un aumento en su área perpendicular a la superficie del agua. Y cuando está sumergido por un borde, por el contrario, la pequeña área del borde se compensa con la mayor altura de la hoja.
Si el agua está muy saturada de sales, razón por la cual su densidad se ha vuelto más alta que la densidad del cuerpo humano, incluso una persona que no sepa nadar no se ahogará en ella. En el Mar Muerto en Israel, por ejemplo, los turistas pueden tumbarse en el agua durante horas sin moverse. Es cierto que todavía es imposible caminar sobre él: el área de apoyo resulta ser pequeña, una persona cae al agua hasta la garganta hasta que el peso de la parte sumergida del cuerpo es igual al peso del agua desplazada por él. Sin embargo, si tienes un poco de imaginación, puedes sumar la leyenda de caminar sobre el agua. Pero en queroseno, cuya densidad es de solo 0,815 kg * cu. dm, no podrá permanecer en la superficie y un nadador muy experimentado.
Fuerza de Arquímedes en dinámica.
El hecho de que los barcos floten gracias al poder de Arquímedes es conocido por todos. Pero los pescadores saben que la fuerza de Arquímedes también se puede utilizar en la dinámica. Si un pez grande y fuerte (taimen, por ejemplo) se ha enganchado, entonces tirarlo lentamente hacia la red (sacarlo) no lo es: romperá la línea y se irá. Primero debes tirar ligeramente cuando ella se vaya. Sintiendo el anzuelo al mismo tiempo, el pez, tratando de deshacerse de él, se precipitará hacia el pescador. Luego, debe tirar muy fuerte y bruscamente para que la línea de pesca no tenga tiempo de romperse.
En el agua, el cuerpo de un pez no pesa casi nada, pero su masa se conserva con la inercia. Con este método de pesca, la fuerza de Arquímedes, por así decirlo, le dará una cola al pez, y la presa misma caerá a los pies del pescador o en su bote.
Fuerza de Arquímedes en el aire.
La fuerza de Arquímedes actúa no solo en los líquidos, sino también en los gases. Gracias a ella vuelan globos y dirigibles (zepelines). 1 cu. m de aire en condiciones normales(20 grados centígrados al nivel del mar) pesa 1,29 kg y 1 kg de helio pesa 0,21 kg. Es decir, 1 metro cúbico de un caparazón lleno es capaz de levantar una carga de 1,08 kg. Si el caparazón tiene 10 m de diámetro, entonces su volumen será de 523 metros cúbicos. m Habiéndolo hecho con un material sintético liviano, obtenemos una fuerza de elevación de aproximadamente media tonelada. Los aeronautas llaman a la fuerza de Arquímedes en el aire la fuerza flotante.
Si se bombea aire fuera del globo sin dejar que se arrugue, cada metro cúbico levantará los 1,29 kg. Un aumento de más del 20 % en la elevación es técnicamente muy tentador, pero el helio es caro y el hidrógeno es explosivo. Por lo tanto, los proyectos de aeronaves de vacío nacen de vez en cuando. Pero los materiales capaces de resistir una gran presión atmosférica (alrededor de 1 kg por cm cuadrado) desde el exterior sobre la carcasa, tecnología moderna aún no es capaz de crear.
