Unele corpuri nu se îneacă în apă. Dacă încercați să le forțați în coloana de apă, vor pluti în continuare la suprafață. Alte corpuri sunt scufundate în apă, dar din anumite motive devin mai ușoare.
În aer, corpurile sunt afectate de forța gravitației. Nu merge nicăieri nici măcar în apă, rămânând la fel. Dar dacă se pare că greutatea corpului scade, înseamnă că forța gravitației contracarează, adică acționează în sens invers, o altă forță. Acest forta de flotabilitate, sau forța arhimediană (forța lui Arhimede).
Forța de flotabilitate apare în orice mediu lichid sau gazos. Cu toate acestea, în gaze este mult mai mică decât în lichide, deoarece densitatea lor este mult mai mică. Prin urmare, atunci când se rezolvă o serie de probleme, forța de flotabilitate a gazelor nu este luată în considerare.
Ce creează forța de plutire? Există presiune în apă, ceea ce creează o forță de presiune a apei. Această forță de presiune a apei este cea care creează forța de plutire. Atunci când un corp este scufundat în apă, forțele de presiune a apei acționează asupra lui din toate părțile, perpendicular pe suprafețele corpului. Rezultanta tuturor acestor forțe de presiune a apei creează o forță de plutire pentru un anumit organism.
Forța rezultată a presiunii apei se dovedește a fi îndreptată în sus. De ce? După cum știți, presiunea apei crește odată cu adâncimea. Prin urmare, forța de presiune a apei pe suprafața inferioară a corpului va fi mai mare ca mărime decât forța care acționează pe suprafața superioară (dacă corpul este complet scufundat în apă).
Întrucât forțele sunt direcționate perpendicular pe suprafață, cea care acționează de jos este îndreptată în sus, iar cea care acționează de sus este îndreptată în jos. Dar forța care acționează de jos este mai mare ca mărime (în valoare numerică). Prin urmare, rezultanta forțelor de presiune a apei este îndreptată în sus, creând o forță de plutire a apei.
Forțele de presiune care acționează pe părțile laterale ale corpului se echilibrează de obicei între ele. De exemplu, cel care actioneaza in dreapta este echilibrat de cel care actioneaza in stanga. Prin urmare, aceste forțe pot fi ignorate atunci când se calculează forța de flotabilitate.
Cu toate acestea, atunci când un corp plutește la suprafață, acesta este acționat doar de forța presiunii apei de jos. Nu există presiunea apei de sus. ÎN în acest caz, greutatea corpului la suprafața apei se dovedește a fi mai mică decât forța de plutire. Prin urmare, corpul nu se scufundă în apă.
Dacă corpul se scufundă, adică se scufundă în fund, aceasta înseamnă că greutatea sa se dovedește a fi mai mare decât forța de flotabilitate.
Când un corp este complet scufundat în apă, crește forța de plutire în funcție de cât de adânc este scufundat corpul? Nu, nu crește. Într-adevăr, odată cu creșterea forței de presiune pe suprafața inferioară, crește forța de presiune pe suprafața superioară. Diferența dintre presiunea superioară și cea inferioară este întotdeauna determinată de înălțimea corpului. Înălțimea corpului nu se modifică odată cu adâncimea.
Forța de plutire care acționează asupra unui anumit corp într-un anumit lichid depinde de densitatea lichidului și de volumul corpului. În acest caz, volumul unui corp, atunci când este scufundat într-un lichid, deplasează un volum egal de apă. Prin urmare, putem spune că forța de plutire a unui anumit lichid depinde de densitatea acestuia și de volumul deplasat de corp.
În paragraful anterior am denumit două formule cu care se poate măsura forța lui Arhimede. Acum vom obține o formulă cu care se poate calcula forța lui Arhimede.
Legea lui Arhimede pentru lichid este exprimată prin formula (vezi § 3):
Să presupunem că greutatea fluidului deplasat este egală cu forță care acționează severitate:
Wzh = Ftiazh = mzhg
Masa fluidului deplasat poate fi găsită din formula densității:
r = m/V Yu mzh = rzhVzh
Înlocuind formulele între ele, obținem egalitatea:
Farx = Wzh = Fheavy = mzh g = rzhVzh g
Să notăm începutul și sfârșitul acestei egalități:
Farx = rzh gVzh
Să ne amintim că legea lui Arhimede este valabilă pentru lichide și gaze. Prin urmare, în loc de denumirea „rzh” este mai corect să folosiți „rzh/g”. De asemenea, observăm că volumul de lichid deplasat de corp este exact egal cu volumul părții scufundate a corpului: Vl = Vpt. Ținând cont de aceste precizări, obținem:
Deci, am derivat un caz special al legii lui Archi miere - o formulă care exprimă o metodă de calcul al forței lui Arhimede. Vă puteți întreba: de ce această formulă este un „caz special”, adică mai puțin general?
Să explicăm cu un exemplu. Să ne imaginăm că efectuăm experimente într-o navă spațială. Conform formulei Farx = Wl, forța arhimediană este egală cu zero (deoarece greutatea lichidului este zero), dar conform formulei Farx = rf/g gVpcht, forța arhimediană nu este egală cu zero, deoarece niciunul dintre cantitățile (r, g, V) în imponderabilitate în zero nu sunt abordate. Trecând de la experiențele imaginare la cele reale, ne vom convinge că formula generală este valabilă.
Să ne continuăm raționamentul și să obținem altul un caz special al legii lui Arhimede. Uitate la imagine. Deoarece bușteanul este în repaus, asupra lui acţionează forţe echilibrate - gravitaţia şi forţa lui Arhimede. Să exprimăm asta prin egalitate:
Farx = Fheavy
Sau, mai detaliat:
rzh gVpcht = mт g
Să împărțim părțile stânga și dreaptă ale egalității la coeficientul „g”:
rzh Vpcht = mt
Reamintind că m = rV, obținem egalitatea:
rzh Vpcht = rt Vt
Să transformăm această egalitate într-o proporție:
În partea stângă a acestei proporții se află o fracție care arată proporția pe care o formează volumul părții scufundate a corpului din volumul întregului corp. Prin urmare, întreaga fracție se numește lobul scufundat al corpului:
Folosind această formulă, prezicem cu ce ar trebui să fie egală fracțiunea scufundată a unui buștean atunci când plutește în apă:
PDT (log) » 500 kg/m 3: 1000 kg/m 3 = 0,5
Cifra 0,5 înseamnă că bușteanul care plutește în apă este pe jumătate scufundat. Aceasta este ceea ce prezice teoria și aceasta coincide cu practica.
Deci, ambele formule din cadru sunt mai puțin generale decât cea originală, adică au mai înguste limite de aplicabilitate. De ce s-a întâmplat asta? Motivul este utilizarea formulei W = F grea. Să ne amintim că nu este corect dacă corpul sau suportul său (suspensia) se mișcă neliniar (vezi § 3-d). Nava spațială pe care am menționat-o se mișcă exact așa - pe o orbită circulară în jurul Pământului.
În ciuda diferențelor evidente în proprietățile lichidelor și gazelor, în multe cazuri comportamentul lor este determinat de aceiași parametri și ecuații, ceea ce face posibilă utilizarea unei abordări unificate pentru studierea proprietăților acestor substanțe.
În mecanică, gazele și lichidele sunt considerate medii continue. Se presupune că moleculele unei substanțe sunt distribuite continuu în partea de spațiu pe care o ocupă. În acest caz, densitatea unui gaz depinde în mod semnificativ de presiune, în timp ce pentru un lichid situația este diferită. De obicei, la rezolvarea problemelor, acest fapt este neglijat, folosind conceptul generalizat de fluid incompresibil, a cărui densitate este uniformă și constantă.
Definiția 1
Presiunea este definită ca forța normală $F$ care acționează asupra părții fluidului pe unitatea de suprafață $S$.
$ρ = \frac(\Delta P)(\Delta S)$.
Nota 1
Presiunea se măsoară în pascali. Un Pa este egal cu o forță de 1 N care acționează pe unitatea de suprafață a unui pătrat. m.
Într-o stare de echilibru, presiunea unui lichid sau a unui gaz este descrisă de legea lui Pascal, conform căreia presiunea pe suprafața unui lichid produsă de forțele externe este transmisă de lichid în mod egal în toate direcțiile.
În echilibru mecanic, presiunea orizontală a fluidului este întotdeauna aceeași; prin urmare, suprafața liberă a unui lichid static este întotdeauna orizontală (cu excepția cazurilor de contact cu pereții vasului). Dacă luăm în considerare starea de incompresibilitate a lichidului, atunci densitatea mediului în cauză nu depinde de presiune.
Să ne imaginăm un anumit volum de lichid delimitat de un cilindru vertical. Să notăm secțiunea transversală a coloanei lichide ca $S$, înălțimea acesteia ca $h$, densitatea lichidului ca $ρ$ și greutatea ca $P=ρgSh$. Atunci următorul lucru este adevărat:
$p = \frac(P)(S) = \frac(ρgSh)(S) = ρgh$,
unde $p$ este presiunea din fundul vasului.
Rezultă că presiunea variază liniar cu altitudinea. În acest caz, $ρgh$ este presiunea hidrostatică, modificarea căreia explică apariția forței Arhimede.
Formularea legii lui Arhimede
Legea lui Arhimede, una dintre legile de bază ale hidrostaticii și aerostaticei, spune: un corp scufundat într-un lichid sau gaz este acționat de o forță de plutire sau de ridicare egală cu greutatea volumului de lichid sau gaz deplasat de partea din corp scufundat în lichid sau gaz.
Nota 2
Apariţia forţei arhimedice se datorează faptului că mediul - lichid sau gaz - tinde să ocupe spaţiul luat de corpul scufundat în el; în acest caz corpul este împins afară din mediu.
De aici și al doilea nume pentru acest fenomen – flotabilitate sau susținere hidrostatică.
Forța de flotabilitate nu depinde de forma corpului, precum și de compoziția corpului și de celelalte caracteristici ale acestuia.
Apariția forței arhimedeene se datorează diferenței de presiune a mediului la diferite adâncimi. De exemplu, presiunea asupra straturilor inferioare de apă este întotdeauna mai mare decât a straturilor superioare.
Manifestarea forței lui Arhimede este posibilă numai în prezența gravitației. Deci, de exemplu, pe Lună, forța de plutire va fi de șase ori mai mică decât pe Pământ pentru corpuri de volume egale.
Apariția Forței lui Arhimede
Să ne imaginăm orice mediu lichid, de exemplu, apă plată. Să selectăm mental un volum arbitrar de apă pe o suprafață închisă $S$. Deoarece tot lichidul este în echilibru mecanic, volumul pe care l-am alocat este de asemenea static. Aceasta înseamnă că rezultanta și momentul forțelor externe care acționează asupra acestui volum limitat iau valori zero. Forțele externe în acest caz sunt greutatea unui volum limitat de apă și presiunea lichidului din jur pe suprafața exterioară $S$. Rezultă că rezultanta $F$ a forțelor de presiune hidrostatică experimentate de suprafața $S$ este egală cu greutatea volumului de lichid care a fost limitat de suprafața $S$. Pentru ca momentul total al forțelor externe să dispară, rezultanta $F$ trebuie să fie îndreptată în sus și să treacă prin centrul de masă al volumului de lichid selectat.
Acum să notăm că în loc de acest lichid limitat condiționat, orice solid volumul adecvat. Dacă condiția de echilibru mecanic este îndeplinită, atunci din lateral mediu inconjurator nu se vor produce modificări, inclusiv presiunea care acționează pe suprafața $S$ va rămâne aceeași. Astfel, putem da o formulare mai precisă a legii lui Arhimede:
Nota 3
Dacă un corp scufundat într-un lichid este în echilibru mecanic, atunci acesta este acționat de o forță de plutire a presiunii hidrostatice din mediul său, care este numeric egală cu greutatea mediului în volumul deplasat de corp.
Forța de plutire este îndreptată în sus și trece prin centrul de masă al corpului. Deci, conform legii lui Arhimede, forța de flotabilitate este valabilă:
$F_A = ρgV$, unde:
- $V_A$ - forța de flotabilitate, H;
- $ρ$ - densitatea lichidului sau gazului, $kg/m^3$;
- $V$ - volumul unui corp scufundat în mediu, $m^3$;
- $g$ - accelerare cădere liberă, $m/s^2$.
Forța de plutire care acționează asupra corpului este opusă în direcție forței gravitaționale, prin urmare comportamentul corpului scufundat în mediu depinde de raportul dintre modulele gravitaționale $F_T$ și forța arhimediană $F_A$. Există trei cazuri posibile aici:
- $F_T$ > $F_A$. Forța gravitației depășește forța de plutire, prin urmare corpul se scufundă/cade;
- $F_T$ = $F_A$. Forța gravitației este egalată cu forța de plutire, astfel încât corpul „atârnă” în lichid;
- $F_T$
Obiectivele lecției: să verifice existența unei forțe de plutire, să înțeleagă motivele apariției acesteia și să obțină reguli pentru calcularea acesteia, să contribuie la formarea unei idei de viziune asupra lumii despre cunoașterea fenomenelor și proprietăților lumii înconjurătoare.
Obiectivele lecției: Lucrați la dezvoltarea abilităților de analiză a proprietăților și fenomenelor pe baza cunoștințelor, evidențiați motivul principal care influențează rezultatul. Dezvoltați abilitățile de comunicare. În etapa de a formula ipoteze, dezvoltați vorbirea orală. Să verifice nivelul de gândire independentă a elevului în ceea ce privește aplicarea cunoștințelor de către elevi în diverse situații.
Arhimede este un om de știință remarcabil al Greciei Antice, născut în anul 287 î.Hr. în portul și orașul de construcții navale Siracuza de pe insula Sicilia. Arhimede a primit o educație excelentă de la tatăl său, astronomul și matematicianul Fidias, o rudă a tiranului din Siracuza Hiero, care l-a patronat pe Arhimede. În tinerețe, a petrecut câțiva ani în cel mai mare centru cultural din Alexandria, unde a dezvoltat relații de prietenie cu astronomul Conon și cu geograful-matematician Eratosthenes. Acesta a fost impulsul pentru dezvoltarea abilităților sale remarcabile. S-a întors în Sicilia ca om de știință matur. A devenit celebru pentru numeroasele sale lucrări științifice, în special în domeniile fizicii și geometriei.
Ultimii ani ai vieții sale, Arhimede a fost la Siracuza, asediat de flota și armata romană. Al 2-lea Război Punic era în derulare. Iar marele om de știință, fără efort, organizează apărarea inginerească a orașului său natal. A construit multe vehicule de luptă uimitoare care au scufundat nave inamice, le-au sfărâmat în bucăți și au distrus soldați. Cu toate acestea, armata apărătorilor orașului era prea mică în comparație cu imensa armată romană. Și în 212 î.Hr. Siracuza a fost luată.
Geniul lui Arhimede a fost admirat de romani și comandantul roman Marcellus a ordonat ca viața lui să fie cruțată. Dar soldatul, care nu-l cunoștea pe Arhimede din vedere, l-a ucis.
Una dintre cele mai importante descoperiri ale sale a fost legea, numită mai târziu legea lui Arhimede. Există o legendă că ideea acestei legi i-a venit lui Arhimede în timp ce făcea baie, cu exclamația „Eureka!” a sărit din cadă și a alergat gol să noteze adevărul științific care îi venise. Esența acestui adevăr rămâne de clarificat; trebuie să verificăm existența unei forțe plutitoare, să înțelegem motivele apariției acesteia și să derivăm reguli pentru calcularea acesteia.
Presiunea într-un lichid sau gaz depinde de adâncimea de scufundare a corpului și duce la apariția unei forțe de flotabilitate care acționează asupra corpului și este îndreptată vertical în sus.
Dacă un corp este coborât într-un lichid sau gaz, atunci sub acțiunea unei forțe de plutire va pluti din mai multe straturi adânci la cele mai puţin adânci. Să derivăm o formulă pentru determinarea forței lui Arhimede pentru un paralelipiped dreptunghic.
Presiunea fluidului pe fața superioară este egală cu
unde: h1 este înălțimea coloanei de lichid deasupra marginii superioare.
Forța de presiune pe partea de sus marginea este egală
F1= p1*S = w*g*h1*S,
Unde: S – zona feței superioare.
Presiunea fluidului pe fața inferioară este egală cu
unde: h2 este înălțimea coloanei de lichid deasupra marginii inferioare.
Forța de presiune pe marginea inferioară este egală cu
F2= p2*S = w*g*h2*S,
Unde: S este aria feței inferioare a cubului.
Deoarece h2 > h1, atunci р2 > р1 și F2 > F1.
Diferența dintre forțele F2 și F1 este egală cu:
F2 – F1 = w*g*h2*S – w*g*h1*S = w*g*S* (h2 – h1).
Deoarece h2 – h1 = V este volumul unui corp sau al unei părți a unui corp scufundat într-un lichid sau gaz, atunci F2 – F1 = w*g*S*H = g* w*V
Produsul densității și volumului este masa lichidului sau a gazului. Prin urmare, diferența de forțe este egală cu greutatea fluidului deplasat de corp:
F2 – F1= mf*g = Pzh = Fout.
Forța de flotabilitate este forța lui Arhimede, care definește legea lui Arhimede
Rezultanta forțelor care acționează pe fețele laterale este zero, prin urmare nu este implicată în calcule.
Astfel, un corp scufundat într-un lichid sau un gaz suferă o forță de plutire egală cu greutatea lichidului sau gazului deplasat de acesta.
Legea lui Arhimede a fost menționată pentru prima dată de Arhimede în tratatul său Despre corpurile plutitoare. Arhimede scria: „corpurile mai grele decât lichidul, scufundate în acest lichid, se vor scufunda până vor ajunge chiar la fund, iar în lichid vor deveni mai ușoare cu greutatea lichidului într-un volum egal cu volumul corpului scufundat. ”
Să luăm în considerare cum depinde forța lui Arhimede și dacă aceasta depinde de greutatea corpului, volumul corpului, densitatea corpului și densitatea lichidului.
Pe baza formulei forței lui Arhimede, aceasta depinde de densitatea lichidului în care este scufundat corpul și de volumul acestui corp. Dar nu depinde, de exemplu, de densitatea substanței corpului scufundat în lichid, deoarece această cantitate nu este inclusă în formula rezultată.
Să determinăm acum greutatea unui corp scufundat într-un lichid (sau gaz). Deoarece cele două forțe care acționează asupra corpului în acest caz sunt direcționate în direcții opuse (forța gravitației este în jos, iar forța arhimediană este în sus), atunci greutatea corpului în lichid va fi greutate mai mică corpuri în vid de către forța arhimediană:
P A = m t g – m f g = g (m t – m f)
Astfel, dacă un corp este scufundat într-un lichid (sau gaz), atunci pierde la fel de multă greutate cât cântărește lichidul (sau gazul) pe care l-a deplasat.
Prin urmare:
Forța lui Arhimede depinde de densitatea lichidului și de volumul corpului sau al părții sale scufundate și nu depinde de densitatea corpului, greutatea acestuia și volumul lichidului.
Determinarea forței lui Arhimede prin metoda de laborator.
Echipament: sticla cu apă curată, pahar cu apa sarata, cilindru, dinamometru.
Progres:
- determinați greutatea corpului în aer;
- determinați greutatea corpului în lichid;
- aflați diferența dintre greutatea unui corp în aer și greutatea unui corp în lichid.
4. Rezultatele măsurătorilor:
Concluzionați cum forța Arhimede depinde de densitatea lichidului.
Forța de flotabilitate acționează asupra corpurilor de orice formă geometrică. În tehnologie, cele mai comune corpuri sunt forme cilindrice și sferice, corpuri cu suprafața dezvoltată, corpuri goale în formă de minge, paralelipiped dreptunghiular sau cilindru.
Forța gravitațională se aplică centrului de masă al unui corp scufundat într-un lichid și este direcționată perpendicular pe suprafața lichidului.
Forța de ridicare acționează asupra corpului din partea laterală a lichidului, este îndreptată vertical în sus și este aplicată pe centrul de greutate al volumului deplasat de lichid. Corpul se mișcă într-o direcție perpendiculară pe suprafața lichidului.
Să aflăm condițiile pentru corpurile plutitoare, care se bazează pe legea lui Arhimede.
Comportarea unui corp situat într-un lichid sau gaz depinde de relația dintre modulele gravitaționale F t și forța lui Arhimede F A , care acționează asupra acestui corp. Următoarele trei cazuri sunt posibile:
- F t > F A - corpul se îneacă;
- F t = F A - corpul plutește într-un lichid sau gaz;
- F t< F A - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
O altă formulare (unde P t este densitatea corpului, P s este densitatea mediului în care este scufundat):
- P t > P s - corpul se scufundă;
- P t = P s - corpul plutește într-un lichid sau gaz;
- P t< P s - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Densitatea organismelor care trăiesc în apă este aproape aceeași cu densitatea apei, așa că nu au nevoie de schelete puternice! Peștii își reglează adâncimea de scufundare prin schimbare densitate medie a corpului tău. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să modifice volumul vezicii natatorii prin contractarea sau relaxarea mușchilor.
Dacă un corp se află la fund într-un lichid sau gaz, atunci forța lui Arhimede este zero.
Principiul lui Arhimede este folosit în construcții navale și aeronautică.
Diagrama corpului plutitor:
Linia de acțiune a forței de gravitație a corpului G trece prin centrul de greutate K (centrul de deplasare) al volumului deplasat de fluid. În poziția normală a unui corp plutitor, centrul de greutate al corpului T și centrul de deplasare K sunt situate de-a lungul aceleiași verticale, numită axa înotului.
La rulare, centrul de deplasare K se deplasează în punctul K1, iar forța de gravitație a corpului și forța arhimediană FA formează o pereche de forțe care tinde fie să readucă corpul în poziția inițială, fie să mărească ruliu.
În primul caz, corpul plutitor are stabilitate statică, în al doilea caz nu există stabilitate. Stabilitatea corpului depinde de poziția relativă a centrului de greutate al corpului T și a metacentrului M (punctul de intersecție al liniei de acțiune a forței arhimedice în timpul unei rostogoliri cu axa de navigație).
În 1783, frații MONTGOLFIER au făcut o minge uriașă de hârtie, sub care au așezat o cană cu alcool arzând. Balonul s-a umplut cu aer cald și a început să se ridice, ajungând la o înălțime de 2000 de metri.
De multe ori descoperirile științifice sunt rezultatul unei simple întâmplări. Dar numai oamenii cu o minte antrenată pot aprecia importanța unei simple coincidențe și pot trage concluzii de amploare din aceasta. Este datorită lanțului evenimente aleatorii Legea lui Arhimede a apărut în fizică, explicând comportamentul corpurilor în apă.
Tradiţie
La Siracuza s-au făcut legende despre Arhimede. Într-o zi, conducătorul acestui oraș glorios s-a îndoit de onestitatea bijutierului său. Coroana făcută pentru domnitor trebuia să conțină o anumită cantitate de aur. Arhimede a fost însărcinat să verifice acest fapt.
Arhimede a stabilit că corpurile din aer și apă au greutăți diferite, iar diferența este direct proporțională cu densitatea corpului măsurat. Măsurând greutatea coroanei în aer și apă și efectuând un experiment similar cu o bucată întreagă de aur, Arhimede a dovedit că în coroana fabricată există un amestec de metal mai ușor.
Potrivit legendei, Arhimede a făcut această descoperire în cadă, urmărind apa stropind. Istoria tace despre ceea ce s-a întâmplat lângă bijutierul necinstit, dar concluzia savantului din Siracuza a stat la baza uneia dintre cele mai importante legi ale fizicii, care ne este cunoscută drept legea lui Arhimede.
Formulare
Arhimede a prezentat rezultatele experimentelor sale în lucrarea sa „Despre corpurile plutitoare”, care, din păcate, a supraviețuit până astăzi doar sub formă de fragmente. Fizica modernă descrie legea lui Arhimede ca o forță cumulativă care acționează asupra unui corp scufundat într-un lichid. Forța de plutire a unui corp într-un lichid este îndreptată în sus; valoarea sa absolută este egală cu greutatea fluidului deplasat.
Acțiunea lichidelor și gazelor asupra unui corp scufundat
Orice obiect scufundat într-un lichid suferă forțe de presiune. În fiecare punct de pe suprafața corpului, aceste forțe sunt direcționate perpendicular pe suprafața corpului. Dacă ar fi la fel, corpul ar experimenta doar compresie. Dar forțele de presiune cresc proporțional cu adâncimea, astfel încât suprafața inferioară a corpului experimentează mai multă compresie decât cea superioară. Puteți lua în considerare și aduna toate forțele care acționează asupra unui corp în apă. Vectorul final al direcției lor va fi îndreptat în sus, iar corpul va fi împins afară din lichid. Mărimea acestor forțe este determinată de legea lui Arhimede. Plutirea corpurilor se bazează în întregime pe această lege și pe diverse consecințe ale acesteia. Forțele arhimediene acționează și în gaze. Datorită acestor forțe de flotabilitate, dirijabilele zboară pe cer și baloane: Deplasarea aerului le face mai ușoare decât aerul.
Formula fizica
Puterea lui Arhimede poate fi demonstrată clar printr-o simplă cântărire. Cântărind o greutate de antrenament în vid, în aer și în apă, puteți vedea că greutatea acesteia se modifică semnificativ. În vid greutatea greutății este aceeași, în aer este puțin mai mică, iar în apă este și mai mică.
Dacă luăm greutatea unui corp în vid ca P o, atunci greutatea acestuia în aer poate fi descrisă prin următoarea formulă: P in = P o - F a;
aici P o - greutatea în vid;
După cum se poate observa din figură, orice acțiune care implică cântărirea în apă ușurează semnificativ corpul, așa că în astfel de cazuri trebuie luată în considerare forța Arhimede.
Pentru aer, această diferență este neglijabilă, așa că de obicei greutatea unui corp scufundat în aer este descrisă de formula standard.
Densitatea mediului și forța lui Arhimede
Analizând cele mai simple experimente cu greutatea corporală în medii diferite, putem ajunge la concluzia că greutatea unui corp în diverse medii depinde de masa obiectului și de densitatea mediului de imersie. Mai mult, cu cât mediul este mai dens, cu atât forța lui Arhimede este mai mare. Legea lui Arhimede a legat această relație și densitatea unui lichid sau gaz se reflectă în formula sa finală. Ce altceva influențează această forță? Cu alte cuvinte, de ce caracteristici depinde legea lui Arhimede?
Formulă
Forța arhimediană și forțele care o influențează pot fi determinate folosind deducții logice simple. Să presupunem că un corp cu un anumit volum scufundat într-un lichid este format din același lichid în care este scufundat. Această presupunere nu contrazice nicio altă premisă. La urma urmei, forțele care acționează asupra unui corp nu depind în niciun caz de densitatea acestui corp. În acest caz, corpul va fi cel mai probabil în echilibru, iar forța de plutire va fi compensată de gravitație.
Astfel, echilibrul unui corp în apă va fi descris după cum urmează.
Dar forța gravitației, din condiție, este egală cu greutatea lichidului pe care îl deplasează: masa lichidului este egală cu produsul densității și volumului. Prin înlocuirea unor cantități cunoscute, puteți afla greutatea unui corp într-un lichid. Acest parametru este descris ca ρV * g.
Înlocuind valori cunoscute, primim:
Aceasta este legea lui Arhimede.
Formula derivată descrie densitatea ca fiind densitatea corpului studiat. Dar în condițiile inițiale s-a indicat că densitatea corpului este identică cu densitatea lichidului din jur. Astfel, puteți înlocui în siguranță valoarea densității lichidului în această formulă. Observația vizuală că într-un mediu mai dens forța de flotabilitate este mai mare a primit justificare teoretică.
Aplicarea Legii lui Arhimede
Primele experimente care demonstrează legea lui Arhimede sunt cunoscute încă de la școală. O placă de metal se scufundă în apă, dar, pliată într-o cutie, poate nu numai să rămână pe linia de plutire, ci și să poarte o anumită sarcină. Această regulă este cea mai importantă concluzie din regula lui Arhimede, ea determină posibilitatea construirii navelor fluviale și maritime ținând cont de capacitatea maximă a acestora (deplasarea). La urma urmei, densitatea apei mari și dulce este diferită, iar navele și submarinele trebuie să țină cont de modificările acestui parametru atunci când intră în gurile de râu. Un calcul incorect poate duce la dezastru - nava va eșua și vor fi necesare eforturi semnificative pentru a o ridica.
Legea lui Arhimede este necesară și pentru submariniști. Ideea este că densitatea apa de mareîşi modifică valoarea în funcţie de adâncimea de scufundare. Calculul corect al densității va permite submarinaștilor să calculeze corect presiunea aerului din interiorul costumului, ceea ce va afecta manevrabilitatea scafandrului și va asigura scufundarea și ascensiunea în siguranță. Legea lui Arhimede trebuie luată în considerare și la forajul la adâncime; instalațiile de foraj uriașe își pierd până la 50% din greutate, ceea ce face ca transportul și exploatarea lor să fie mai puțin costisitoare.
