Archimedská síla: příčina, vzorec a použití v inženýrství a přírodě

Mnozí pozorovali plavidla plující na moři, balóny v atmosféře. Nicméně málo lidí ví, jaká síla způsobuje, že se ve vodě a ve vzduchu vznášejí tuhé látky. V tomto článku se budeme zabývat otázkami, co je Archimedská síla, jaká je fyzická příčina jejího výskytu a jaký vzorec se používá k výpočtu její hodnoty.

Tlak v objemu kapalné látky

Abychom pochopili příčinu vzhledu ar- midimské síly, měli bychom zvážit zvláštnosti existence tlaku uvnitř tekoucích látek. Takové látky jsou plyny a kapaliny, jelikož jakákoliv minimální smyková síla působící na ně vede k posunutí některých vrstev v nich vzhledem k ostatním, to znamená, že se objevuje tok.

Zvažte například kapalinu (vodu, alkohol, benzín atd.). Nejprve je tekutina nestlačitelná. Za druhé, všechny elementární částice, které je tvoří, se pohybují náhodně v různých směrech. Tento pohyb vede k tomu, že jakýkoliv objem uvnitř kapaliny je ovlivněn tlakem ze všech stran. Vzhledem k tomu, že každá tlaková složka odpovídá podobnému tlaku, který je směrován v opačném směru, je celkový tlak na daném objemu nulový.

Pokud je tekutina v oblasti gravitačních sil (například v oblasti pozemského), začnou horní vrstvy tlačit na spodní vrstvy. Tlak, který vyvíjejí, se nazývá hydrostatický. Je určen podle vzorce:

P = ρ * g * h.

Kde ρ je hustota kapaliny, h je vzdálenost od povrchu kapaliny, tj. Hloubka.

Archimedecké síly se projevují kvůli hydrostatickému tlaku. Zvažte v dalším odstavci podrobněji důvod jeho vzhledu.

Archimedes a Archimedes síly

Tradičně se věří, že objev vztlaku a matematický zákon, který ho definuje, patří Archimedes. Podle legendy použil tento zákon, aby definoval falešnou zlatou korunu. Archimedovský zákon může být formulován takto: tělo ponořené do tekuté hmoty prochází silou, která ho tlačí nahoru, což odpovídá hmotnosti kapaliny, kterou vytlačuje. Odrazivá síla ve fyzice získala jméno Archimedean.

Jak již bylo uvedeno, příčinou vztlakové síly je hydrostatický tlak. Faktem je, že u každého ponořeného tělesa bude tlak vyvíjený kapalinou na horní část těla vždy nižší než tlak, který je aplikován na jeho spodní část. Rozdíl mezi nimi, vynásobený oblastí nárazu, je tlačná síla.

Vzorec pro Archimedovu moc je napsán následovně:

F _A = ρ _l * g * V _l .

Kde ρ1 a _V1 jsou hustota kapaliny a její objem, který byl přemístěn ponořeným tělesem. Nezaměňujte hodnotu V _l s objemem těla, který bude označen dále V _s . Vzhledem k tomu, že tekutina je nestlačitelná, budou tyto objemy navzájem rovny pouze s úplným ponořením těla.

Stav plovoucích pevných látek v tekutých látkách

To, zda se tělo propadne do kapaliny nebo zda se v ní pohybuje, závisí na vztahu mezi těmito dvěma silami (gravitační a Archimedovská síla). Protože první je rovna tělesné hmotnosti, můžeme napsat následující rovnost:

m _s * g = ρ _l * g * V _l .

Psaní hmoty přes hustotu a za předpokladu, že tělo je zcela ponořeno do kapaliny, se dostáváme k následující rovnici:

ρ _s * g * V _s = ρ _l * g * V ₁ =>

ρ _s = ρl.

Výsledný matematický výraz je podmínkou, že tělo neplovává nebo klesá do tekutiny. Vždy bude na povrchu kapalné látky, pokud je její hustota nižší než hustota kapaliny. Při inverzním vztahu mezi těmito hustotami se tělo propadne.

Dále ukážeme, kde se uplatňuje uvažovaný zákon a vyřeší problém s jeho použitím.

Koupání různých objektů

Snad nejslavnějším příkladem je plavba lodí. Takže každá loď má průměrnou hustotu menší než hustota vody (1 g / cm3), takže se nepoklesá, přestože je vyrobena z mnohem hustějších kovových materiálů.

V případě ponorky je třeba poznamenat, že jeho vztlak je regulován pomocí zátěže. Takže sběr mořské vody ve speciálně upravených nádržích, loď zvyšuje svou průměrnou hustotu a začíná klesat. Naproti tomu čerpání vody z těchto nádrží snižuje průměrnou hustotu, což vede k výstupu ponorky. Podle stejného principu mohou ryby s plaveckým měchýřkem snadno měnit hloubku jejich ponoru.

Princip balónování balónů a balónků se neliší od plovoucích lodí ve vodě. Balón například používá během letu horký vzduch. Jak je známo z fyziky, při zahřátí se díky expanzi hustota vzduchu snižuje. Výsledkem je, že balón dostane příležitost zvednout nějaké zatížení ve vzduchu pomocí síly vztlaku.

Zařízení pro měření hustoty

Vzhledem k zákonu Archimedes a jeho použití by mělo být řečeno, že kromě navigace na lodích se uplatňuje při určování hustoty analyzované tekutiny. Chcete-li to provést, použijte měřič hustoty nebo hustotoměr. Jedná se o skleněnou trubku, jejíž spodní část je vedena. Trubka má stupnici rozdělení. Při umístění přístroje do kapaliny přesně ukazuje jeho hustotu.

Měřič hustoty se používá k určení nabíjení baterie, k analýze čistoty mléka nebo obsahu alkoholu ve víně.

Úkol uplatňovat zákon Archimedes

Předpokládejme, že balón má objem 1000 m ³ . Hustota vzduchu obklopujícího balón je 1,225 kg / m ³ . Je nutné určit, jaká hmotnost může zvednout míč, pokud je hustota horkého vzduchu v objemu 1 kg / m ³ .

Napsali jsme výraz rovnosti sil:

P _g + P _s = F _A.

Kde P _g je hmotnost zatížení, která zvedá míč, P _s je hmotnost samotné koule. Předpokládáme, že průměrná hustota míče se rovná hustotě horkého vzduchu v něm, pak může být výše uvedený výraz přepsán jako:

m _g * g = V * g * (ρa - ρ _s ).

Kde V je objem kuličky, ρ _s je jeho hustota, ρ _a je hustota vzduchu, m _g je hmotnost zdviženého zatížení. Pak m _g bude rovno:

m _g = V * (ρa - ρ _s ) = 1000 * (1,225 - 1) = 225 kg.

Tímto míčem bude moci zvednout 3 osoby o hmotnosti 70 kg.