Архимедова сила: причината, формулата и използването в техниката и природата

Мнозина наблюдаваха как корабите плават по морето, а балони летят в атмосферата. Въпреки това, малко хора знаят каква сила причинява нахлуване на твърдите вещества във водата и във въздуха. В тази статия ще разгледаме въпроса каква е Архимедова сила, каква е физическата причина за нейното появяване и каква формула се използва за изчисляване на нейната стойност.

Налягането в обема на течно вещество

За да разберем причината за появата на Архимедова сила, трябва да вземем предвид особеностите на съществуването на налягане вътре в течащите вещества. Такива вещества са газове и течности, тъй като всяка минимална сила на срязване, приложена към тях, води до изместване на някои слоеве в тях спрямо други, т.е.

Например, помислете за течност (вода, алкохол, бензин и др.). Първо, течността е некомпресирана. Второ, всички елементарни частици, които я съставят, се движат произволно в различни посоки. Това движение води до факта, че всеки обем в течността се влияе от натиска от всички страни. Тъй като всеки компонент на налягането съответства на подобен, който е насочен в обратна посока, общото налягане на въпросния обем е нула.

Ако течността е в полето на гравитационните сили (например в полето на земното), горните слоеве започват да оказват натиск върху долните слоеве. Налягането, което те упражняват, се нарича хидростатично. Определя се по формулата:

P = ρ * g * h.

Когато ρ е плътността на течността, h е разстоянието от повърхността на флуида, т.е. дълбочината.

Архимедовата сила се появява поради хидростатичното налягане. Обмислете в следващия параграф по-подробно причината за появата му.

Архимед и Архимед

Традиционно се смята, че откриването на плаваемостта и математическия закон, който го определя, принадлежат на Архимед. Според легендата той използвал този закон, за да определи фалшива златна корона. Законът на Архимед може да бъде формулиран по следния начин: тяло, потопено в течно вещество, претърпява възходяща сила, която я избутва нагоре, което е равно на теглото на течността, която измества. Отблъскващата сила във физиката получи името Архимедов.

Както вече беше отбелязано, причината за силата на плаваемост е хидростатичното налягане. Факт е, че за всяко потопено тяло налягането, упражнявано от течността върху горната част на тялото, винаги ще бъде по-малко от налягането, приложено към долната му част. Разликата между тях, умножена по площта на въздействието, е бутаща сила.

Формулата за Архимедова сила е написана както следва:

F _A = ρ _l * g * V _l .

Където ρ _l и V _l са плътността на флуида и неговия обем, който е изместен от потопеното тяло. Не бъркайте стойността на V _l с обема на тялото, който ще бъде обозначен по-нататък V _s . Тъй като флуидът е несвиваем, тези обеми ще бъдат еднакви само с пълното потапяне на тялото.

Състоянието на плуващите твърди вещества в течни вещества

Дали тялото ще потъне в течността, или ще плува в нея, зависи от връзката между двете сили (гравитационна и Архимедова сила). Тъй като първият е равен на телесното тегло, можем да напишем следното равенство:

m _s * g = ρ _l * g * V _l .

Записвайки масата през плътността и приемайки, че тялото е напълно потопено в течността, стигаме до следното уравнение:

ρ _s * g * V _s = ρ _l * g * V _l =>

ρ _s = ρ _l .

Полученият математически израз е условие, че тялото не плува или не потъва във флуида. Тя винаги ще бъде на повърхността на течната субстанция, ако нейната плътност е по-ниска от плътността на течността. С обратната връзка между тези плътности тялото ще потъне.

След това ще покажем къде се прилага разглежданото право и решаваме проблема с неговото използване.

Плуване на различни обекти

Може би най-известният пример е плаването на кораби. Така че, всеки кораб има средна плътност по-малка от плътността на водата (1 g / cm ³ ), така че не потъва, въпреки факта, че е направен от много по-плътни метални материали.

В случай на подводница, трябва да се отбележи, че неговата плаваемост е регулирана с баласт. Така че, събиране на морска вода в специално осигурени резервоари, лодката увеличава средната си плътност и започва да потъва. Напротив, изпомпването на вода от тези резервоари намалява средната му плътност, което води до изкачването на подводницата. В съответствие със същия принцип, рибата с плуващ мехур може лесно да промени дълбочината на тяхното гмуркане.

Принципът на балониращите балони и балони не се различава от плаващите кораби във водата. Например балонът използва горещ въздух по време на полета си. Както е известно от физиката, при нагряване плътността на въздуха намалява поради нейното разширяване. В резултат на това балонът получава възможност да вдигне част от товара във въздуха, използвайки силата на плаваемост.

Устройство за измерване на плътността

Отчитайки закона на Архимед и неговото използване, трябва да се каже, че освен навигацията на корабите, той намира приложение при определяне на плътността на анализираната течност. За целта използвайте плътност или денсиметър. Това е стъклена тръба, на дъното на която е олово. Тръбата има скала на деленията. Когато поставяте уреда във всяка течност, той точно показва неговата плътност.

Глюкомерът се използва за определяне на заряда на батерията, за анализ на чистотата на млякото или на алкохолното съдържание на виното.

Задачата за прилагане на закона на Архимед

Да предположим, че балонът е с обем от 1000 m ³ . Плътността на въздуха около балона е 1,225 kg / m ³ . Необходимо е да се определи кое тегло може да повдигне топката, ако плътността на горещия въздух в неговия обем е 1 kg / m ³ .

Пишем израз на равенство на силите:

Pg + P _s = F _A.

Когато P _g е теглото на товара, който повдига топката, P _s е теглото на самата топка. Предполагаме, че средната плътност на топката е равна на плътността на горещия въздух в него, тогава горният израз може да бъде пренаписан като:

m _g * g = V * g * (ρ _a - ρ _s ).

Където V е обемът на топката, ρ _s е неговата плътност, ρ _a е плътността на въздуха, m _g е масата на повдигнатия товар. Тогава m _g ще бъде равно на:

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

По този начин, тази топка ще може да вдигне 3 души с тегло по 70 кг всяка.