Принцип Архимеда - физический закон плавучести

Почему резиновые уточки плавают? Если бы на утку действовала только сила тяжести, она упала бы на дно ванны. Таким образом, должна быть другая сила, которая удерживает его на плаву - это выталкивающая сила. В этой статье мы обсудим, что такое плавучесть, почему она возникает и как ее рассчитать.

Плавучесть - определение и значение

Мы определим и обсудим значение плавучести.

Плавучесть - это сила, направленная вверх, которую жидкости оказывают на полностью или частично погруженный в воду объект.

Жидкость - это все, что течет, например, жидкость или газ. Поскольку они текут, жидкости заполняют все пространства любого контейнера, в который они попадают, и оказывают давление на все, с чем они соприкасаются. Когда вы наполняете ванну водой, вода давит вниз в соответствии со своим весом, но она также будет давить на стенки ванны (в противном случае, если бы вы вырезали отверстие в стенке ванны, вода просто осталась бы на месте). Если вы плаваете в бассейне, вода также оказывает на вас давление. Когда вы плывете ко дну бассейна, чем дальше вы опускаетесь, тем сильнее ваши уши будут ощущать увеличение давления. Чем глубже вы погружаетесь, тем больше давление, потому что над вами больше воды.

Если мы нарисуем куб в воде, мы могли бы добавить стрелки вокруг него, чтобы показать давление, которое вода оказывает на куб, как на изображении выше. Давление на дно куба больше, чем давление на верхнюю часть куба. Если бы мы сложили все силы от давления вместе, горизонтальные силы компенсировали бы друг друга, потому что они равны в противоположных направлениях. Поскольку силы восходящих стрелок больше, чем силы нисходящих стрелок, они будут складываться в одну единственную восходящую силу. Эта восходящая сила является выталкивающей силой.

Выталкивающая сила применима ко всем жидкостям, включая воздух, а не только к воде. В этой статье мы просто больше всего обсуждаем воду, потому что ее легче всего визуализировать и соотносить с ней.

Межатомные электрические силы вызывают выталкивающую силу

На атомном уровне жидкости состоят из атомов, которые связаны друг с другом. Жидкости могут двигаться, поэтому, когда объект погружен в жидкость, атомы и связи жидкости отталкиваются в сторону и огибают объект, но они все равно хотят вернуться в исходное состояние. Они создают межатомные электрические силы, чтобы прижиматься к объекту, что в конечном итоге приводит к выталкивающей силе вверх.

Принцип Архимеда - физический закон плавучести

Ниже мы определим и обсудим принцип Архимеда. Фото наверху, нажмите его чтобы открыть в большем размере.

Принцип Архимеда гласит, что выталкивающая сила, действующая на полностью или частично погруженный объект, равна весу жидкости, которую вытеснил объект.

Этот принцип был открыт Архимедом, когда он принимал ванну и заметил, что вода в ванне поднимается в зависимости от того, сколько его тела находится в воде. Объем погруженной части его тела был таким же, как объем воды, которая поднялась с пути, или, другими словами, была смещена. В приведенном выше разделе мы определили, что жидкости оказывают выталкивающую силу на объекты; Архимед говорит нам, что величина этой силы равна весу жидкости, которую вытеснил объект. Мы обсудим, почему это так, как интуитивно, так и математически.

Интуитивное объяснение

Если мы представим, что наш куб из приведенного выше примера сделан из невесомого пластика, наполненного водой, он будет плавать в равновесии с окружающей водой, потому что вся вода весит одинаково. Силы, действующие на куб, представляют собой направленную вниз силу тяжести и направленную вверх выталкивающую силу. Поскольку куб не ускоряется из-за второго закона Ньютона,эти силы, сложенные вместе, равны нулю. Это означает, что выталкивающая сила равна весу воды в кубе.

Теперь, что, если мы заменим куб на металлический куб точно такого же размера? Вода вокруг куба не будет знать, что он отличается от заполненного водой куба, поэтому выталкивающая сила, действующая на него, будет такой же - равной весу воды, которую может содержать куб. Но теперь вес куба больше, поэтому он упадет на дно стакана. Если вы поднимете куб со дна, он будет казаться легче, чем есть на самом деле, из-за выталкивающей силы, толкающей его вверх.

Математическое объяснение

Теперь давайте посмотрим, как мы можем объяснить плавучесть математически.

На изображении выше мы упростили силы, обусловленные давлением воды, в единую направленную вниз силу и единую направленную вверх силу. Сила равна давлению, P умножьте площадь, на которую действует давление, A таким образом, мы имеем

F=PA

Затем обратите внимание, что давление равно плотности жидкости, умноженной на силу тяжести, умноженную на высоту жидкости, или

P=pfgh

Итак, уравнение для силы, действующей на вершину куба, выглядит следующим образом:

F1=pfgh1A

и сила, действующая на дно куба, равна:

F2=pfgh2A

Чтобы найти выталкивающую силу, мы хотим найти разницу между силой, действующей сверху, и силой, действующей снизу:

F2-F1=pfg(h2-h1)A

Обратите внимание, что h2-h1 это просто высота куба, и путем умножения его на грань куба, A мы получаем объем куба, или, скорее, объем воды, который вытеснил куб. Теперь мы получаем следующее уравнение для выталкивающей силы:

Fb=pfVfg

Масса равна плотности, умноженной на объем,

m=pV

таким образом, мы можем заменить массу жидкости, чтобы заменить плотность и объем жидкости:

Fb=mfg

Поскольку вес равен массе, умноженной на гравитацию, этот результат означает, что выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости, как и сказал Архимед.

Давление увеличивается с увеличением глубины в жидкости, но это не означает, что выталкивающая сила увеличивается. Высота объекта остается неизменной, поэтому разница в давлении между верхней и нижней частями объекта остается постоянной, независимо от того, насколько глубоко объект находится в жидкости. Выталкивающая сила зависит только от веса вытесняемой жидкости и силы тяжести, а не от глубины объекта.

Формула выталкивающей силы

Как было только что доказано выше, принцип Архимеда приводит к следующей формуле плавучести:

Fb=mfg

Вы также можете использовать следующее уравнение, подставив массу в плотность, умноженную на объем, как мы описали выше:

Fb=pfVfg

Оба этих уравнения означают одно и то же; какое из них вы используете, зависит от того, какой информацией вы располагаете. The переменные массы, плотности и объема означают, что вы используете массу, плотность или объем жидкости, а не объекта.

Это самое важное, что нужно помнить о плавучести и где происходит большинство ошибок.

Плавающие объекты

Что, если бы наш куб плавал, а не тонул? Если мы знаем, что объект полностью погружен, то мы знаем, что объем жидкости, который был вытеснен жидкостью, равен объему объекта. Но если он плавает, это не так. Вот почему важно помнить, что используемый вами объем - это объем жидкости, вытесняемой жидкостью, а не объем объекта.

Когда объект плавает в жидкости, единственными силами, действующими на него, являются выталкивающая сила и гравитационная сила. Мы можем видеть две силы, действующие на плавающий куб на изображении ниже.Поскольку куб не ускоряется, сумма двух сил равна нулю. Это означает, что для объектов, плавающих в равновесии, выталкивающая сила равна силе тяжести (или весу объекта), а плавучесть нейтральна.

Для объектов с ускорением, таких как активно тонущие объекты, сумма сил будет равна массе, умноженной на ускорение, а не нулю.

Отрицательная плавучесть

Плавучесть может быть не только нейтральной, но и отрицательной или положительной. Чтобы отличить одно от другого, мы должны посмотреть на температуру внутри и снаружи участка воды. Это обеспечивает разницу в плотности, необходимую для определения, имеет ли посылка положительную или отрицательную плавучесть. Отрицательная плавучесть является результатом того, что более холодный участок окружен более теплой водой, в результате чего участок тонет. Погружение происходит из-за того, что сила веса посылки превышает выталкивающую силу. Положительная плавучесть, с другой стороны, является результатом того, что более теплый участок, окруженный более холодной водой, заставляет участок подниматься. Подъем происходит потому, что выталкивающая сила больше, чем сила веса посылки.

Примеры эффекта плавучести

Некоторые примеры эффекта плавучести включают следующее:

Если вы подержите наполненный воздухом шар под водой, а затем отпустите, он всплывет на поверхность из-за плавучести.
В соленой воде плавать легче, чем в пресной, потому что плавучесть зависит от плотности жидкости, а соленая вода имеет более высокую плотность.
Плавучесть заставляет корабли плавать.
Плавучесть заставляет наполненный гелием воздушный шар подниматься, когда его отпускают.
Плавучесть - основные выводы
Плавучесть - это сила, направленная вверх, которую жидкость оказывает на полностью или частично погруженный в воду объект.
Выталкивающая сила, действующая на объект, равна весу жидкости, которую вытеснил объект , .
При нахождении выталкивающей силы всегда используйте массу или плотность и объем жидкости, а не объекта.
Когда объект плавает в жидкости без каких-либо других внешних сил, выталкивающая сила равна весу объекта.
Когда объект погружен в жидкость, атомы и связи жидкости отклоняются в сторону, но хотят вернуться в свое естественное состояние, поэтому электрические силы между атомами оказывают воздействие на объект.Все эти межатомные силы, сложенные вместе, создают единую плавучую силу.