Når mange ser på ballongflukten og bevegelsene til skip på havoverflaten, lurer mange på: hva får disse kjøretøyene til å stige opp i himmelen eller holder disse kjøretøyene på vannoverflaten? Svaret på dette spørsmålet er oppdrift. La oss se nærmere på det i artikkelen.
Væsker og statisk trykk i dem
Væske er to aggregerte tilstander av materie: gass og væske. Påvirkningen av enhver tangentiell kraft på dem får noen lag av materie til å forskyve seg i forhold til andre, det vil si at materie begynner å flyte.
Væsker og gasser består av elementærpartikler (molekyler, atomer), som ikke har en bestemt posisjon i rommet, som for eksempel i faste stoffer. De beveger seg hele tiden i forskjellige retninger. I gasser er denne kaotiske bevegelsen mer intens enn i væsker. På grunn av det bemerkede faktum, kan flytende stoffer overføre trykket som utøves på dem likt i alle retninger (Pascals lov).
Siden alle bevegelsesretninger i rommet er like, vil det totale trykket på et elementært elementvolumet inne i væsken er null.
Situasjonen endres radik alt dersom det aktuelle stoffet plasseres i et gravitasjonsfelt, for eksempel i jordens gravitasjonsfelt. I dette tilfellet har hvert lag av væske eller gass en viss vekt som det presser på de underliggende lagene med. Dette trykket kalles statisk trykk. Den øker i direkte forhold til dybden h. Så, i tilfelle av en væske med en tetthet ρl, bestemmes det hydrostatiske trykket P av formelen:
P=ρlgh.
Here g=9,81 m/s2- akselerasjon av fritt fall nær overflaten av planeten vår.
Hydrostatisk trykk har blitt følt av hver person som har dykket flere meter under vann minst én gang.
Vurder deretter spørsmålet om oppdrift i eksemplet med væsker. Likevel er alle konklusjonene som vil bli gitt, også gyldige for gasser.
Hydrostatisk trykk og Arkimedes' lov
La oss sette opp følgende enkle eksperiment. La oss ta en kropp med vanlig geometrisk form, for eksempel en kube. La lengden på siden av kuben være a. La oss dyppe denne kuben i vann slik at dens overside er på dybden h. Hvor mye trykk utøver vannet på kuben?
For å svare på spørsmålet ovenfor, er det nødvendig å vurdere mengden hydrostatisk trykk som virker på hver side av figuren. Åpenbart vil det totale trykket som virker på alle sideflater være lik null (trykket på venstre side vil bli kompensert av trykket på høyre). Det hydrostatiske trykket på toppflaten vil være:
P1=ρlgh.
Dette presset er nedadgående. Dens tilsvarende kraft er:
F1=P1S=ρlghS.
Hvor S er arealet til et kvadratisk ansikt.
Kraften assosiert med hydrostatisk trykk, som virker på undersiden av kuben, vil være lik:
F2=ρlg(h+a)S.
F2kraft er rettet oppover. Da vil den resulterende kraften også rettes oppover. Dens betydning er:
F=F2- F1=ρlg(h+a))S - ρlghS=ρlgaS.
Merk at produktet av kantlengden og flateområdet S til en terning er volumet V. Dette gjør at vi kan skrive om formelen som følger:
F=ρlgV.
Denne formelen for oppdriftskraften sier at verdien av F ikke er avhengig av dybden av kroppens nedsenking. Siden volumet til legemet V sammenfaller med volumet til væsken Vl, som det fortrengte, kan vi skrive:
FA=ρlgVl.
Oppdriftskraftformelen FA kalles vanligvis det matematiske uttrykket for Arkimedes lov. Det ble først etablert av en gammel gresk filosof i det 3. århundre f. Kr. Det er vanlig å formulere Arkimedes' lov slik: Hvis et legeme er nedsenket i et flytende stoff, virker det en vertik alt oppadgående kraft på det, som er lik vekten av objektet som forskyves av kroppen.stoffer. Den flytende kraften kalles også Arkimedes-kraften eller løftekraften.
Krakter som virker på et fast legeme nedsenket i en flytende substans
Det er viktig å kjenne til disse kreftene for å svare på spørsmålet om kroppen vil flyte eller synke. Generelt er det bare to av dem:
- tyngdekraft eller kroppsvekt Fg;
- oppdriftskraft FA.
Hvis Fg>FA, så er det trygt å si at kroppen vil synke. Tvert imot, hvis Fg<FA, vil kroppen feste seg til overflaten av stoffet. For å senke den må du bruke en ekstern kraft FA-Fg.
Ved å erstatte formlene for de navngitte kreftene i de angitte ulikhetene, kan man få en matematisk betingelse for flyting av kropper. Det ser slik ut:
ρs<ρl.
Her er ρs kroppens gjennomsnittlige tetthet.
Det er enkelt å demonstrere effekten av tilstanden ovenfor i praksis. Det er nok å ta to metallterninger, hvorav den ene er solid og den andre er hul. Hvis du kaster dem i vannet, vil den første synke, og den andre vil flyte på overflaten av vannet.
Bruk av oppdrift i praksis
Alle kjøretøy som beveger seg på eller under vann bruker Archimedes-prinsippet. Så forskyvningen av skip beregnes basert på kunnskapen om den maksimale oppdriftskraften. Ubåter i endringderes gjennomsnittlige tetthet ved hjelp av spesielle ballastkamre, kan flyte eller synke.
Et levende eksempel på en endring i kroppens gjennomsnittlige tetthet er bruken av redningsvester av en person. De øker det totale volumet betydelig og endrer praktisk t alt ikke vekten til en person.
Oppstigningen av en ballong eller heliumfylte babyballonger på himmelen er et godt eksempel på den flytende arkimedeiske styrken. Utseendet skyldes forskjellen mellom tettheten til varm luft eller gass og kald luft.
Problemet med å beregne den arkimedeiske kraften i vann
Den hule ballen er helt nedsenket i vann. Ballens radius er 10 cm. Det er nødvendig å beregne oppdriften til vannet.
For å løse dette problemet trenger du ikke vite hvilket materiale ballen er laget av. Det er bare nødvendig å finne volumet. Sistnevnte beregnes ved hjelp av formelen:
V=4/3pir3.
Da vil uttrykket for å bestemme den arkimedeiske kraften til vann skrives som:
FA=4/3pir3ρlg.
Ved å erstatte ballens radius og tettheten til vann (1000 kg/m3), får vi at oppdriftskraften er 41,1 N.
Problem med å sammenligne arkimedeanske styrker
Det er to kropper. Volumet på den første er 200 cm3, og den andre er 170 cm3. Den første kroppen ble nedsenket i ren etylalkohol, og den andre i vann. Det er nødvendig å fastslå om flytekreftene som virker på disse kroppene er de samme.
De tilsvarende arkimedeske kreftene avhenger av kroppens volum og væskens tetthet. For vann er tettheten 1000 kg/m3, for etylalkohol er den 789 kg/m3. Beregn oppdriftskraften i hver væske ved å bruke disse dataene:
for vann: FA=100017010-69, 81 ≈ 1, 67 N;
for alkohol: FA=78920010-69, 81 ≈ 1, 55 N.
I vann er altså den arkimedeiske kraften 0,12 N større enn i alkohol.
