Сила Архімеда - сила штовхання рідин знизу вгору - принцип Архімеда

Принцип Архімеда

Тіла, занурені у воду, здаються легшими, ніж у повітрі. Якщо легке тіло ввести у воду, а потім випустити, воно повертається на поверхню води з великою швидкістю і плаває. Сила, яка діє на тіло, що штовхає його вгору, називається Сила Архімеда. Причиною штовхання знизу вгору є гідростатичний тиск води, який має різне значення на кожній глибині. Припустимо, що на глибині всередині рідини з питомою вагою знаходиться циліндричне тіло, що має висоту та переріз S (рис. 242). На верхню грань тіла діє сила, представлена стрілкою, спрямованою вниз, а на нижню грань фото, представлена стрілкою, спрямованою вгору. Сили, що діють на однаковій висоті на бічній грані тіла, мають нульовий результат. Загалом залишається сила, що діє вгору за розміром, що є саме таким Сила Архімеда.

Оскільки це об'єм тіла, це призводить до:

сили його Архімед =об’єм · питома вага:

[кгс].

Вищевикладений вираз представляє математичне формулювання Принцип Архімеда: сила Архімеда дорівнює вазі кількості води, витісненої тілом.

Оскільки вона діє в напрямку, протилежному вазі тіла, сила Архімеда завжди викликає зменшення ваги.

Значення сили Архімеда=втрата ваги.

Отже, ця втрата ваги залежить лише від обсягу зануреного тіла, відповідно від кількості витісненої води, а не від її ваги. Затонулий свинцевий блок з таким же об'ємом, як і шматок дерева, штовхається з такою ж силою, як і ця.

Якщо G - належна вага тіла, а A - сила Архімеда, залежно від величини одного до іншого, може бути три ситуації:

1. G> A: тіло тоне зі зменшеною вагою

Зменшення маси тіла в рідинах

Ми встановили, що вага тіла, повністю зануреного в рідину, зменшується зі значенням сили Архімеда. Враховуючи, що в чистій воді з питомою вагою 1gf/cm 3 ця тяга чисельно дорівнює об'єму витісненої води, це дає зручну можливість визначити питому вагу малих предметів. За допомогою гідростатичного балансу спочатку знайдіть вагу тіла в повітрі, G, потім повісьте тіло на дріт, вставивши його у воду, і знайдіть його зменшену вагу, G '(мал. 243). Результат:

питома вага = [gf/cm 3]

Оскільки втрата ваги тіла залежить від питомої ваги рідини, в яку воно занурене, ми все ще маємо засоби для точного визначення питомої ваги рідин.

За руку Баланс Мора-Вестфала (мал. 244) невеликий плаваючий скляний корпус підвішений платиновим дротом. Якщо тіло занурити у воду, рівновага порушується. Його можна відновити за допомогою дротяного гачка (вершника), що висить на виїмці 10, тобто питома вага рідини точно дорівнює 1. Два інших гачка, рівних 1/10, відповідно 1/100, від ваги морського вершника, служать при балансуванні, якщо питома вага відрізняється від 1. Положення вершників на рис. 245 вказує, наприклад, питому вагу 1035. Перед використанням вагу потрібно спочатку привести в рівновагу з неочищеною водою. Оскільки вода не має питомої ваги 1 при кімнатній температурі, необхідно зробити відповідну корекцію, використовуючи лист щільності.

Коли сила Архімеда перевищує вагу його тіла, він рухається вгору, поки на поверхні не встановиться рівновага між цими двома силами. Тоді тіло плаває. Отже, якщо шматок деревини, що плаває у воді, важить 650 кгс, це означає, що об’єм його зануреної частини повинен становити 0,65 м .

Плаваючий баланс: коли тіло плаває в чистій воді, вага витісненої води дорівнює власній вазі тіла.

Це явище можна легко довести. Наповніть переповнену миску водою. Якщо в нього потім вставити плаваюче тіло, з посудини зливається рівно стільки води, скільки тіло.

У разі рідини з питомою вагою, якщо її позначають об'ємом зануреної частини тіла, останній закон можна записати у формі, де:

занурений об’єм/загальний об’єм = питома вага тіла/питома вага рідини

За допомогою цього співвідношення можна визначити, яка фракція плаваючого тіла виходить із рідини.

Частина, яка виходить, може бути повністю введена у воду, додавши додаткову вагу. Тому обсяг цієї частини представляє міцний підшипник плаваючого об’єкта, на який можна розраховувати у разі повного занурення об’єкта.

Щоб пліт підтримував людину вагою 80 кгс, його частина над водою повинна бути не менше 80 л. Розмір сили Архімеда вище цієї межі неможливий, якщо тільки вантаж не буде він також тоне з пробкою і, таким чином, сприятиме збільшенню сили Архімеда.

Баланс плавучості дуже чутливий до порушень. Через високу рухливість води нестабільний баланс абсолютно неможливий. Отже, тіло не може утримуватися на плаву в будь-якому положенні, але воно обертається і займає правильне, стійке, плаваюче положення. Для цієї позиції надзвичайно важливими є два моменти:

1. Центр ваги тіла (точка С застосування ваги). Він має фіксоване положення в тілі.

2. Центр тиску (точка А прикладання сили Архімеда), яка є центром ваги переміщеної рідини. Елісі змінює положення відповідно до розміру та форми зануреної частини.

Якщо центр ваги C нижче центру тиску A, плаваюче положення в будь-якому випадку стабільне. Невеликий поворот з цього положення призводить до появи пари сил, які обертають тіло назад, поки воно знову не стане нулем.

Вертикальна лінія, що з’єднує C з A, є плаваюча вісь тіла.

Якщо C точно вище A, крутний момент все ще дорівнює нулю, але є два випадки. Трохи обертаючи тіло, ми виводимо його з положення рівноваги. Якщо лінія дії, що проходить через новий центр тиску A ', перетинає стару плаваючу вісь нижче C, виникає момент, який перевертає тіло (рис. 246). Тому баланс був нестабільним. Якщо ця точка перетину вище С, тіло повертається у колишнє положення: баланс був стабільним (рис. 247). Викликається точка перетину лінії дії сили, що проходить через А 'з плаваючою віссю метацентр.

Плаваюче положення тіла стабільне, коли метацентр знаходиться вище центру ваги.

Взагалі, об’єкт плаває тим стабільніше, чим нижче його центр ваги. Вітрильні яхти мають важкий кіль, і у разі небезпеки корабельної аварії щогли повинні бути опущені.

Для того, щоб визначити плаваюче положення суден, дзвонів газометра та інших технічних конструкцій, часто необхідні більш складні розрахунки.

Простим прикладом у цьому відношенні є швидке визначення питомої ваги рідин за допомогою денсиметри (Влагомери). Вони являють собою баластовані скляні трубки, верхня частина яких виступає над рівнем рідини і має градуйовану шкалу, що відповідає меті експерименту. Залежно від питомої ваги рідини вони більш-менш занурені в неї (рис. 248). Чутливість денсиметрів ще більша, оскільки шийка, що виходить з рідини, тонша порівняно з зануреною частиною. Денсиметри дуже поширені як прилади для перевірки щільності кислот, такі як лактометри, спиртометри, сахарометри для визначення вмісту цукру в розчинах.