Статична плавучість AustriaWiki на Австрійському форумі

статична плавучість (у рідинах теж гідростатична плавучість, [1] в газах аеростатична плавучість) - це явище, при якому тіло, занурене у рідину (рідина чи газ) у стані спокою, втрачає вагу. [2] Схоже, що тіло стало світлішим, його навіть можна «підтягнути». Іншими словами: його вага частково, повністю або надмірно важка статична плавучість (також гідростатична плавучість [3]) компенсована.

(Гідро) статичний підсилення часто використовується з (гідро) статичним Плавучість прирівнюється [4], хоча плавучість насправді використовується лише для опису ефекту, який створюється силою.

Якщо вага тіла перевищує діючу в даний час силу плавучості, тіло тоне в рідині від. На морському жаргоні це буде так негативний підйом або Заниження згадане, наприклад, у випадку з клітинами підвищеної плавучості на підводних човнах. Якщо вага менша, тіло піднімається в рідині на. Рух, спричинений плавучістю, закінчується, коли сила плавучості та вага знаходять новий баланс. Наприклад, повітряна куля піднімається до тих пір, поки не досягне шару повітря з меншою щільністю, що спричиняє меншу плавучість і має таку ж щільність, що і повітряна куля. Коли сили знаходяться в рівновазі, аеростат плаває без будь-якої зміни висоти. Підводний човен, який з’являється на поверхні води, може досягти рівноваги, частково виходячи з води і тим самим зменшуючи її плавучість. Підводний човен плаває на поверхні.

Сила статичної плавучості зумовлена ​​принципом Архімеда, тобто вона залежить від ваги, яка діяла на рідину, яка зараз витіснена. Щільність тіла часто порівнюють з щільністю рідини, щоб зробити твердження про опускання, плавання або підняття тіла. Відношення до питомої ваги рідини застаріло.

Стати предметами рідини обтікає навколо, динамічний підйомник також може діяти (який, коли він спрямований вниз як контактний тиск, також як Притискна сила позначається), це динамічний Плавучість - це фізичний принцип, за яким летять птахи, літаки та вертольоти.

Фізичний фон

Плавучість тіла, зануреного в рідину, походить від того, що тиск рідини в полі гравітації, так званий гідростатичний тиск, зростає з глибиною [5], тобто для кожного витягнутого тіла "знизу" і "зверху" він різний. Наприклад, якщо кубоподібне тіло занурено з основою в рідину, гідростатичний тиск на основу (на малюнку як позначено) більше, ніж зверху (a). [5] У разі тіл неправильної форми сила статичної плавучості - це сила, що виникає внаслідок (вертикальних) компонентів сили гідростатичного тиску, що діють на всі частини поверхні. [5]

За допомогою зануреного кубоїда можна отримати: сила плавучості F A> діє на тіло, яке занурене в рідину з щільністю ρ із кількістю:

V - об’єм рідини, що витісняється тілом, g прискорення за рахунок сили тяжіння.

Добуток щільності та обсягу ρ V - маса m рідини, витісненої тілом. А g ρ V - його вага. Таким чином, статична сила плавучості відповідає вазі рідини, яка знаходилася б на місці зануреного тіла.

Ці відносини відомі як архімедівський принцип.

Якщо статичну силу плавучості F → A> _> порівняти з вагою F → G> _ >> розглянутого тіла, то співвідношення щільності тіла та рідини є визначальним для цього порівняння. Це узагальнено таким чином, що тіло плаває в рідині, коли його середня щільність точно така ж, як у навколишньої рідини, що воно піднімається при меншій щільності або опускається при більшій щільності.

Гідростатичний парадокс стверджує, що тиск залежить лише від глибини, а не від форми рідини. Отже, сила плавучості не залежить від кількості рідини, в яку занурене тіло. Тому принцип також застосовується, якщо рідина, яка все ще присутня, має менший об'єм, ніж занурена частина поплавця.

Сила плавучості менша за силу ваги: ​​опускання

Сила плавучості діє не лише на кожне тіло, занурившись у басейн, вона однакова і в повітрі. Цей ефект значно менший за звичайних обставин (

Коефіцієнт 1000), ніж у рідині, але для точного зважування слід враховувати, що при визначенні маси в повітрі лише приблизне значення отримують лише значення зважування. Навіть при невеликих тілах, таких як краплі нафти у повітрі, для точних вимірювань балансу сил потрібно враховувати плавучість, див. Експеримент Міллікана.

Згідно з легендою, Архімед із Сіракуз повинен був перевірити вміст золота в короні і занурив корону один раз, а потім золотий злиток тієї ж ваги у повний контейнер для води та виміряв кількість переповненої води. Галілео Галілей підозрював, що Архімед замість цього використовував пучковий баланс, подібний до показаного вище, для вимірювання різниці щільності через різну плавучість у воді.

Плавучість більша за вагу: зростаюча

Сила підйому дорівнює вазі

Наведіть курсор

Плавання на поверхні

Якщо на додаток до ваги F → ​​G> _ >> на нерухоме, частково занурене тіло (наприклад, корабель) діє лише статична плавучість F → A> _>, тоді застосовується сила плавучості в статичній рівновазі

самостійно на щільність води, що впливає на глибину проникнення тіла (в рівновазі F A/(ρ ¯ V) = g ¯> /> V)> = >>)

Так звана плавальна рівновага [14] говорить, що:

Занурений V загальний об'єм = щільність d. щільність плаваючого тіла рідини >>> = >>>> [14]

Використання: осадка кораблів

Плавучі кораблі знаходяться в стабільній рівновазі: якщо вони занурюються глибше у високих хвилях, то витіснений об’єм води і, отже, плавучість збільшуються, і вони знову піднімаються вгору. Якщо їх підняти занадто далеко, об’єм витісненої води та плавучість зменшуються, і сила тяжіння змушує їх знову занурюватися.

Якщо корабель нахиляється вбік, напр. Б. при поворотному колі або поперечному вітрі тяга збільшується з цього боку, тоді як зменшується з іншого боку. Відповідно до змінених умов тиску центр підйому зміщується і виникає момент, який протидіє нахилу і повертає корабель у вихідне положення, як тільки зовнішній вплив спадає.

Якщо пором завантажений, його вага збільшується, тому він тоне глибше потрапляє у воду і витісняє більше води, ніж у розвантаженому стані. Через більшу глибину заглиблення тоді діє більше Сила плавучості, це завжди знаходиться в рівновазі з (тепер більшою) силою ваги.

Якщо цей корабель рухається з Північного моря до Ельби і таким чином переходить із солоної води на прісну (яка має меншу щільність, ніж солона), сила плавучості зменшиться в прісній воді з незмінною глибиною занурення. Звідси корабель тоне глибше до тих пір, поки сила плавучості більшого потопаючого об'єму знову не стане рівноважною з вагою корабля.

плавучість
Знак надводного борту (ліворуч) і знак навантаження (праворуч) на судні: TF = прісноводні тропіки надводного борту
F = надводний борт у прісній воді
T = надводний борт у тропічній морській воді (морська морська вода)
S = літній знак завантаження у воді озера
W = надводний борт в морській воді взимку
WNA = Надводний борт в морській воді взимку в Північній Атлантиці

Навантажувальні мітки на судна позначають (дозволену) глибину занурення у воду різної щільності. Верхні два горизонтальні верхні краї щабля (до кругової) позначки надводного борту для прісної води у внутрішніх водах, чотири нижні один під іншим для більш щільної солоної води в морях з різними температурами.

Якщо метан підірветься з підводних родовищ гідрату метану, це може становити ризик для судноплавства. Шотландські вчені пояснюють це зануренням риболовецького траулера, виявленого в Отвір для відьом у Північному морі. Піднімаються бульбашки газу можуть настільки зменшити щільність морської води, що кораблі раптово втрачають плавання. [15] [16]

Застосування: вимірювання щільності, вимірювання температури

Сила плавучості F A> діє на ареометр (також званий шпинделем щільності), який занурюється в рідину з щільністю ρ, із кількістю:

Отже, глибину проникнення можна використовувати для визначення щільності рідини і, отже, вмісту розчинених речовин, які можна зчитувати на шкалі, пристосованій до призначення ареометра. Типовим прикладом цього є масштабний аерометр.

У рідинному термометрі за Галілео Галілеєм поплавці розташовані відповідно до залежної від температури щільності рідини на різних висотах у відповідному положенні рівноваги

Термометр Галілея показує температуру рідини на основі плавучості різних тіл у рідині. Використовувані для цього скляні сфери, діаметр яких перевищує половину внутрішнього діаметра циліндра [17] (щоб вони залишалися в розшаруванні і не «обганяли» одна одну), були збалансовані рідинами так, щоб їх середня щільність від верхньої кулі до нижчий куля збільшується. Оскільки щільність рідини залежить від температури, плавучість змінюється відповідно до температури. При певній температурі піднімаються всі сфери, середня щільність яких менша за середню щільність оточуючої їх рідини. Всі сфери тонуть, середня щільність яких більша за середню щільність навколишньої рідини. Поточну температуру можна прочитати з наклейки, прикріпленої до кульки, що плаває внизу. [17] Якщо рідина потім нагрівається, тобто її густина зменшується, інший кулька опускається, і нову температуру можна прочитати з наклейки, прикріпленої до кульки, що плаває внизу.

Ефект плавучості, що змінюється з температурою, також виникає під час підводних занурень, коли температура морської води знижується із збільшенням глибини води або підводний човен чергує теплу та холодну морську течію під час статичного занурення.

Дивіться також ілюстрацію знаків завантаження суден вище, які враховують різну плавучість кораблів влітку та взимку та в холодних водах Північної Атлантики та в теплих тропічних водах.

Застосування: фізичні іграшки

Дивитися також

Веб-посилання

Індивідуальні докази

  1. ↑ Ернст Лечер: Механіка та акустика - тепло - оптика.ISBN 3-11-121275-0, с. 121 (попередній перегляд в Пошуку книг Google), востаннє доступний у лютому 2020 року.
  2. ↑ Джозеф Х. Сперк: Механіка рідини.ISBN 3-540-61308-0, с. 143 (попередній перегляд в Пошуку книг Google), востаннє доступний у лютому 2020 року.
  3. ↑Течії. С. 12 (обмежений попередній перегляд у пошуку книг Google), востаннє доступний у лютому 2020 року.
  4. ↑Фізика та радіотехніка для моряків. С. 48 (обмежений попередній перегляд у пошуку книг Google), востаннє доступний у лютому 2020 року.
  5. 123 Дуглас К. Джанколі: фізика.ISBN 3-86894-023-5, с.460 (обмежений перегляд у пошуку книг Google)
  6. ↑ Ці будівлі стали набагато дорожчими, ніж планувалося; на сайті weser-kurier.de
  7. ↑ Ганс-Йоахім Шліхтінг (вчитель фізики)
  8. ↑ Ганс-Йоахім Шліхтінг (вчитель фізики)
  9. ↑ Девід Холлідей, Роберт Реснік, Джерл Уокер: Фізика Хеллідей.ISBN 978-3-527-81260-8, с. 467 (попередній перегляд в Пошуку книг Google), востаннє доступний у лютому 2020 р.
  10. ↑ Кліффорд А. Піковер: Архімед Гокінгу. Oxford University Press USA - OSO, 2008, ISBN 978-0-19-533611-5, с.41 .
  11. ^ Теодор Пешль: Плавання тілом. В: Підручник з гідравліки для інженерів та фізиків. Springer, Berlin/Heidelberg 1924, ISBN 978-3-642-98315-3, pp. 27–35, doi: 10.1007/978-3-642-99127-1_4 (springer.com [доступ 25 лютого 2020]).
  12. ↑ Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1 (= підручник Спрінгера). Springer, Berlin/Heidelberg 2018, ISBN 978-3-662-54846-2, doi: 10.1007/978-3-662-54847-9 (springer.com [доступ 25 лютого 2020]).
  13. ↑ Джохоу, Е. Ферстер: Розрахунок та конструкція кораблів. В: Довідник з суднобудування. Спрингер, Берлін/Гейдельберг 1928, ISBN 978-3-642-50392-4, стор. 1–150, doi: 10.1007/978-3-642-50701-4_1 (springer.com [доступ 25 лютого 2020]).
  14. 12 Томас Кріст: Гідравліка. В: формули та таблиці базові знання техніки. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 1997, ISBN 978-3-528-14976-5, pp. 197–208, doi: 10.1007/978-3-322-89910-1_16 (springer.com [доступ 25 лютого 2020] ).
  15. ↑ BBC News: Крушення Північного моря в таємниці метану. 29 листопада 2000 р. (Доступ 23 липня 2013 р.).
  16. ↑ Ганс-Йоахім Шліхтінг (вчитель фізики)
  17. 12-йІгри, фізика та розваги. С. 87 (обмежений перегляд у пошуку книг Google).

"Гідростатичний парадокс" слід також сформулювати так: нижній тиск не залежить від форми посудини і залежить лише від питомої ваги рідини та від перпендикулярної відстані рівня рідини від дна.

-- Гіммельбауер Йозеф, п’ятниця, 15 листопада 2013 р., 19:07