Архимедова моћ: узрок, формула и употреба у инжењерству и природи
Многи су гледали како бродови плове по мору, балони лете у атмосфери. Међутим, мало људи зна каква сила узрокује подизање чврстих материја у води и зраку. У овом чланку ћемо размотрити питања о томе шта је Архимедова сила, шта је физички узрок њене појаве, и по којој се формули израчунава њена вредност.
Притисак у запремини течне супстанце
Да бисмо разумели узрок појаве Архимедове силе, треба узети у обзир особитости постојања притиска унутар проточних супстанци. Такве супстанце су гасови и течности, јер свака минимална сила смицања која се примењује на њих доводи до померања неких слојева у њима у односу на друге, тј.
На пример, размотрите течност (воду, алкохол, бензин, итд.). Прво, флуид је некомпресибилан. Друго, све елементарне честице које то чине, крећу се насумично у различитим правцима. Ово кретање доводи до чињенице да је било који волумен унутар течности под утицајем притиска са свих страна. Пошто свака компонента притиска одговара сличној, која је усмерена у супротном смеру, укупни притисак на дотичну запремину је нула.
Ако је флуид у пољу гравитационих сила (на пример, у пољу земаљског), горњи слојеви почињу да врше притисак на доње слојеве. Притисак који они врше назива се хидростатички. Одређује се по формули:
П = ρ * г * х.
Тамо где је ρ густина флуида, х је растојање од површине флуида, односно дубине.
Архимедова сила се појављује због хидростатског притиска. У сљедећем параграфу размотрите детаљније разлоге његовог појављивања.
Архимедова и Архимедова сила
Традиционално се верује да откриће узгона и математичког закона који га дефинира припадају Архимеду. Према легенди, користио је овај закон да би дефинисао лажну златну круну. Архимедов закон може се формулисати на следећи начин: тело уроњено у течну супстанцу пролази кроз силу навише која га гура према горе, што је једнако тежини течности коју измиче. Одвратна сила у физици добила је име Архимед.
Као што је већ наведено, узрок силе узгона је хидростатски притисак. Чињеница је да ће за свако потопљено тело притисак који врши течност на горњи део тела увек бити мањи од притиска који се примењује на његов доњи део. Разлика између њих, помножена са површином утицаја, је потисна сила.
Формула за Архимедову моћ је написана на следећи начин:
Ф А = ρ л * г * В л .
Где су ρ л и В л густина флуида и његов волумен, који је замењен потопљеним телом. Не мешајте вредност В л са запремином тела, која ће бити означена као Вс. Пошто је течност нестлачива, ови волумени ће бити једнаки једни другима само уз потпуно урањање тела.
Стање чврстих материја у течним супстанцама
Да ли ће тело уронити у течност, или ће плутати у њему, зависи од односа између две силе (гравитација и Архимедова сила). Пошто је први једнак телесној тежини, можемо да напишемо следећу једнакост:
м с * г = ρ л * г * В л .
Пишући масу кроз густину, и под претпоставком да је тело потпуно уроњено у течност, долазимо до следеће једначине:
ρ с * г * В с = ρ л * г * В л =>
ρ с = ρ л .
Добијени математички израз је услов да тело не лебди или не потоне у течност. Она ће увек бити на површини течне материје, ако је њена густина нижа од густине течности. Са обрнутим односом између ових густина, тело ће потонути.
Затим ћемо показати гдје се разматрани закон примјењује и ријешити проблем његове употребе.
Пливање разних објеката
Можда је најпознатији примјер пловидба бродовима. Дакле, сваки брод има просјечну густоћу мању од густине воде (1 г / цм 3 ), тако да не потоне, упркос чињеници да је израђен од много густих металних материјала.
У случају подморнице, треба напоменути да је његова пловност регулирана баластом. Тако, сакупљањем морске воде у посебно предвиђеним спремницима, брод повећава своју просјечну густоћу и почиње тонути. Напротив, пумпање воде из ових резервоара смањује њену просечну густину, што доводи до успона подморнице. У складу са истим принципом, риба са пливаћом бешиком може лако да промени дубину роњења.
Принцип балонирања балона и балона се не разликује од плутајућих бродова у води. На пример, балон користи топли ваздух током лета. Као што је познато из физике, када се загрева, густина ваздуха се смањује због њене експанзије. Као резултат, балон добија могућност да подигне неко оптерећење у ваздуху, користећи силу узгона.
Уређај за мерење густине
Узимајући у обзир Архимедов закон и његову употребу, треба рећи да поред пловидбе бродом проналази и примену у одређивању густине анализиране течности. Да бисте то урадили, користите мерач густине или дензиметар. То је стаклена цев, на дну које је олово. Цев има скалу подела. Када се уређај ставља у било коју течност, он тачно показује његову густину.
Мерач густине се користи за одређивање напуњености батерије, за анализу чистоће млека или садржаја алкохола у вину.
Задатак примене Архимедовог закона
Претпоставимо да балон има запремину од 1000 м 3 . Густина ваздуха око балона је 1.225 кг / м 3 . Потребно је одредити која тежина може да подигне лопту ако је густина врелог ваздуха у његовој запремини 1 кг / м 3 .
Пишемо израз једнакости снага:
П г + П с = Ф А.
Када је П г тежина терета која подиже лопту, П с је тежина саме лопте. Претпостављамо да је просечна густина лопте једнака густини топлог ваздуха у њој, тада се наведени израз може преписати као:
м г * г = В * г * (ρ а - ρ с ).
Где је В запремина лопте, ρ с је његова густина, ρ а је густина ваздуха, м г је маса подигнутог оптерећења. Тада ће м г бити једнако:
м г = В * (ρ а - ρ с ) = 1000 * (1,225 - 1) = 225 кг.
Тако ће ова лопта моћи да подигне 3 особе од по 70 кг.