Arhimedova moč: vzrok, formula in uporaba v inženirstvu in naravi

Mnogi so opazovali ladje, ki plujejo po morju, baloni letijo v ozračju. Vendar le malo ljudi ve, kakšna sila povzroči, da se trdne snovi dvignejo v vodo in zrak. V tem članku bomo obravnavali vprašanja, kaj je Arhimedova sila, kaj je fizični vzrok njenega nastanka in kakšna formula se uporablja za izračun njene vrednosti.

Tlak v prostornini tekoče snovi

Da bi razumeli vzrok nastanka Arhimedove sile, je treba upoštevati posebnosti obstoja tlaka v tekočih snoveh. Takšne snovi so plini in tekočine, saj vsaka minimalna strižna sila, ki se nanese na njih, vodi do premika nekaterih plasti v njih glede na druge, tj.

Na primer, razmislite o tekočini (voda, alkohol, bencin, itd.). Najprej je tekočina nestisljiva. Drugič, vsi osnovni delci, ki ga sestavljajo, se gibljejo naključno v različnih smereh. To premikanje vodi k dejstvu, da na vse prostornine tekočine vpliva pritisk z vseh strani. Ker vsaka tlačna komponenta ustreza podobni tisti, ki je usmerjena v nasprotno smer, je skupni pritisk na zadevni volumen enak nič.

Če je tekočina v polju gravitacijskih sil (npr. Na polju zemeljskega), zgornji sloji začnejo pritiskati na spodnje plasti. Pritisk, ki ga izvajajo, se imenuje hidrostatičen. Določi se po formuli:

P = ρ * g * h.

Kjer je ρ gostota tekočine, je h oddaljenost od površine tekočine, to je globina.

Arhimedova sila se pojavi zaradi hidrostatskega tlaka. V naslednjem odstavku podrobneje razložite razlog njegovega nastanka.

Arhimedova in Arhimedova sila

Tradicionalno se domneva, da odkritje vzgona in matematičnega zakona, ki ga opredeljuje, pripada Arhimedu. Po legendi je uporabil ta zakon za opredelitev ponarejene zlate krone. Arhimedov zakon lahko formuliramo takole: telo, potopljeno v tekočo snov, se podvrže navzgor usmerjeni sili, ki je enaka teži tekočine, ki jo premakne. Odporna sila v fiziki je dobila ime Arhimed.

Kot smo že omenili, vzrok vzgonske sile je hidrostatični tlak. Dejstvo je, da bo pritisk, ki ga povzroča tekočina na zgornji del telesa, pri vsakem potopljenem telesu vedno manjši od tlaka, ki se nanaša na njegov spodnji del. Razlika med njimi, pomnožena z območjem vpliva, je potisna sila.

Formula za Arhimedovo moč je zapisana takole:

F _A = ρ _l * g * V _l .

Kjer sta ρ _l in V _l gostota tekočine in njen volumen, ki ju je potopljeno telo zamenjalo. Ne zamenjujte vrednosti V _l z volumnom telesa, ki bo označen kot nadaljnji V _s . Ker je tekočina nestisljiva, se bodo ti prostori med seboj izenačili le s popolnim potopljenjem telesa.

Stanje plavajočih trdnih snovi v tekočih snoveh

Ali bo telo potopilo v tekočino, ali bo plavalo v njej, je odvisno od razmerja med obema silama (gravitacija in Arhimedova sila). Ker je prva enaka telesni teži, lahko zapišemo naslednjo enakost:

m _s * g = ρ _l * g * V _l .

Pisanje mase skozi gostoto in ob predpostavki, da je telo popolnoma potopljeno v tekočino, dosežemo naslednjo enačbo:

ρ _s * g * V _s = ρ _l * g * V _l =>

ρ _s = ρ _l .

Dobljeni matematični izraz je pogoj, da telo ne plava ali potone v tekočino. Vedno bo na površini tekočine, če je njena gostota nižja od gostote tekočine. Z obratnim razmerjem med temi gostotami bo telo potonilo.

Nato bomo prikazali, kje je uporabljeno pravo, in rešiti problem z njegovo uporabo.

Plavanje različnih predmetov

Morda je najbolj znan primer jadranje ladij. Torej ima vsaka ladja povprečno gostoto manjšo od gostote vode (1 g / cm ³ ), zato ne potone, kljub dejstvu, da je izdelana iz veliko bolj gostih kovinskih materialov.

V primeru podmornice je treba opozoriti, da je njegov vzgon reguliran z balastom. Torej, zbiranje morske vode v posebej zagotovljenih cistern, čoln poveča svojo povprečno gostoto in začne potoniti. Nasprotno, črpanje vode iz teh rezervoarjev zmanjšuje njegovo povprečno gostoto, kar vodi do vzpona podmornice. V skladu z istim načelom lahko ribe s plavalnim mehurjem enostavno spremenijo globino potopa.

Načelo balonarskih balonov in balonov se ne razlikuje od plavajočih ladij v vodi. Na primer, balon uporablja vroč zrak med letom. Kot je znano iz fizike, se ob segrevanju gostota zraka zaradi širjenja zmanjša. Kot rezultat, balon dobi priložnost, da dvigne nekaj bremena v zraku z uporabo sile vzgona.

Naprava za merjenje gostote

Glede na Arhimedov zakon in njegovo uporabo je treba povedati, da poleg navigacije z ladjami ugotavlja tudi uporabnost pri določanju gostote analizirane tekočine. V ta namen uporabite merilnik gostote ali denzimeter. To je steklena cev, na dnu katere je svinčnik. Cev ima lestvico pregrad. Ko napravo postavite v katero koli tekočino, natančno pokaže njeno gostoto.

Merilnik gostote se uporablja za določanje naboja baterije, za analizo čistosti mleka ali vsebnosti alkohola v vinu.

Naloga uporabe Arhimedovega zakona

Recimo, da ima balon prostornino 1000 m ³ . Gostota zraka, ki obdaja balon, znaša 1,225 kg / m3. Treba je določiti, katera teža lahko dvigne kroglo, če je gostota vročega zraka v njeni prostornini 1 kg / m ³ .

Pišemo izraz enakosti sil:

P _g + P _s = F _A.

Če je P _g teža bremena, ki dviguje kroglo, je P _s teža same krogle. Predvidevamo, da je povprečna gostota kroglice enaka gostoti vročega zraka v njem, potem pa lahko zgornji izraz ponovno napišemo kot:

m _g * g = V * g * (ρ _a - ρ _s ).

Kjer je V prostornina krogle, je ρ _s njegova gostota, ρ _a je gostota zraka, m _g masa dvignjene obremenitve. Potem bo m _g enako:

m _g = V * (ρ _a - ρ _s ) = 1000 * (1225 - 1) = 225 kg.

Tako bo ta žogica lahko dvignila 3 osebe, ki tehtajo po 70 kg.