Arhimedova moć: uzrok, formula i uporaba u inženjerstvu i prirodi

Mnogi su gledali kako brodovi plove po moru, baloni lete u atmosferi. Međutim, malo ljudi zna kakva sila uzrokuje podizanje krute tvari u vodi i zraku. U ovom članku razmotrit ćemo pitanja o tome što je Arhimedova sila, koji je fizički uzrok njezine pojave i koja se formula koristi za izračunavanje njene vrijednosti.

Tlak u volumenu tekuće tvari

Da bismo razumjeli uzrok pojave Arhimedove sile, treba uzeti u obzir osobitosti postojanja pritiska unutar protočnih tvari. Takve tvari su plinovi i tekućine, budući da svaka minimalna sila sile koja se primjenjuje na njih dovodi do pomicanja nekih slojeva u njima u odnosu na druge, tj. Pojavljuje se protok.

Na primjer, razmotrite tekućinu (vodu, alkohol, benzin, itd.). Prvo, tekućina je nestabilna. Drugo, sve elementarne čestice koje ga sastavljaju, kreću se nasumično u različitim smjerovima. Ovo kretanje dovodi do činjenice da je bilo koji volumen unutar tekućine pod utjecajem pritiska sa svih strana. Budući da svaka komponenta tlaka odgovara sličnoj, koja je usmjerena u suprotnom smjeru, ukupni tlak na predmetnom volumenu je nula.

Ako je fluid u polju gravitacijskih sila (na primjer, u polju zemaljskog), gornji slojevi počinju vršiti pritisak na donje slojeve. Pritisak koji oni vrše naziva se hidrostatički. Određuje se po formuli:

P = ρ * g * h.

Gdje je ρ gustoća fluida, h je udaljenost od površine tekućine, tj. Dubine.

Arhimedova sila pojavljuje se zbog hidrostatskog tlaka. Razmotrite u sljedećem odlomku detaljnije razloge njezina pojavljivanja.

Arhimedova i Arhimedova sila

Tradicionalno se vjeruje da otkriće uzgona i matematičkog zakona koji ga definira pripadaju Arhimedu. Prema legendi, upotrijebio je ovaj zakon da definira lažnu zlatnu krunu. Arhimedov zakon može se formulirati na sljedeći način: tijelo uronjeno u fluidnu tvar prolazi kroz silu prema gore, što je jednako težini tekućine koju istiskuje. Odvratna sila u fizici dobila je ime Arhimed.

Kao što je već navedeno, uzrok sile uzgona je hidrostatski tlak. Činjenica je da će za svako potopljeno tijelo pritisak koji djeluje na gornji dio tijela uvijek biti manji od pritiska koji se primjenjuje na njegov donji dio. Razlika između njih, pomnožena s područjem utjecaja, je potisna sila.

Formula za Arhimedovu moć zapisana je kako slijedi:

F _A = ρ _l * g * V _l .

Gdje su r _l i V _l gustoća fluida i njegov volumen, koji je premješten potopljenim tijelom. Ne miješajte vrijednost V _l s volumenom tijela, što će biti označeno dalje od Vs. Budući da je tekućina nekompresibilna, ovi volumeni će biti jednaki jedni drugima samo uz potpuno uranjanje tijela.

Stanje krutih tvari u tekućinama

Hoće li tijelo potonuti u tekućinu, ili će plutati u njemu, ovisi o odnosu između dviju sila (gravitacija i Arhimedova snaga). Budući da je prvi jednak tjelesnoj težini, možemo napisati sljedeću jednakost:

m _s * g = ρ _l * g * V _l .

Pišući masu kroz gustoću i pretpostavljajući da je tijelo potpuno uronjeno u tekućinu, dolazimo do sljedeće jednadžbe:

ρ _s * g * V _s = ρ _l * g * V _l =>

ρ _s = ρ _l .

Rezultirajući matematički izraz je uvjet da tijelo ne pluta ili potone u tekućinu. Ona će uvijek biti na površini tekuće tvari, ako je njezina gustoća niža od gustoće tekućine. S obrnutim odnosom između tih gustoća, tijelo će potonuti.

Zatim ćemo pokazati gdje se razmatrani zakon primjenjuje i riješiti problem njegove uporabe.

Plivanje raznih predmeta

Možda je najpoznatiji primjer plovidba brodovima. Dakle, svaki brod ima prosječnu gustoću manju od gustoće vode (1 g / cm ³ ), tako da ne potone, unatoč činjenici da je izrađen od mnogo gustih metalnih materijala.

U slučaju podmornice treba napomenuti da je njegova plovnost regulirana balastom. Dakle, skupljajući morsku vodu u posebno predviđenim spremnicima, brod povećava svoju prosječnu gustoću i počinje tonuti. Naprotiv, crpljenje vode iz tih spremnika smanjuje njegovu prosječnu gustoću, što dovodi do uspona podmornice. U skladu s istim principom, riba s mjehurićem za plivanje može lako promijeniti dubinu ronjenja.

Princip baloniranja balona i balona ne razlikuje se od plutajućih brodova u vodi. Na primjer, balon koristi topli zrak tijekom leta. Kao što je poznato iz fizike, kada se zagrijava, gustoća zraka se smanjuje zbog njezine ekspanzije. Kao rezultat, balon dobiva priliku podići određeno opterećenje u zraku, koristeći silu uzgona.

Uređaj za mjerenje gustoće

S obzirom na Arhimedov zakon i njegovu primjenu, treba reći da osim plovidbe brodom, nalazi primjenu u određivanju gustoće analizirane tekućine. Da biste to učinili, upotrijebite mjerač gustoće ili denzimetar. To je staklena cijev, na dnu koje je olovo. Cijev ima skalu podjela. Kada uređaj stavljate u bilo koju tekućinu, on točno pokazuje njegovu gustoću.

Mjerač gustoće koristi se za određivanje napunjenosti baterije, za analizu čistoće mlijeka ili sadržaja alkohola u vinu.

Zadaća primjene Arhimedovog zakona

Pretpostavimo da balon ima volumen od 1000 m ³ . Gustoća zraka oko balona iznosi 1.225 kg / m3. Potrebno je odrediti koja težina može podići loptu ako je gustoća vrućeg zraka u njegovom volumenu 1 kg / m ³ .

Pišemo izraz jednakosti snaga:

P _g + P _s = F _A.

Gdje je P _g težina tereta koja podiže loptu, P _s je težina same lopte. Pretpostavljamo da je prosječna gustoća kugle jednaka gustoći vrućeg zraka u njoj, tada se gornji izraz može prepisati:

m _g * g = V * g * (ρ _a - ρ _s ).

Gdje je V volumen lopte, ρ _s je njegova gustoća, ρ _a gustoća zraka, m _g je masa podignutog tereta. Tada će m _g biti jednako:

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

Tako će ova lopta moći podići 3 osobe od po 70 kg.