När många tittar på ballongers flygning och fartygs rörelse på havsytan undrar många: vad får dessa fordon att stiga upp i himlen eller håller dessa fordon på vattenytan? Svaret på denna fråga är flytkraft. Låt oss titta närmare på det i artikeln.
vätskor och statiskt tryck i dem
Fluit är två aggregerade tillstånd av materia: gas och vätska. Inverkan av någon tangentiell kraft på dem gör att vissa lager av materia förskjuts i förhållande till andra, det vill säga materia börjar flöda.
Vätskor och gaser består av elementarpartiklar (molekyler, atomer), som inte har en bestämd position i rymden, som till exempel i fasta ämnen. De rör sig hela tiden åt olika håll. I gaser är denna kaotiska rörelse mer intensiv än i vätskor. På grund av det noterade faktumet kan flytande ämnen överföra trycket som utövas på dem lika i alla riktningar (Pascals lag).
Eftersom alla rörelseriktningar i rymden är lika, är det totala trycket på alla elementvolymen inuti vätskan är noll.
Situationen förändras radik alt om ämnet i fråga placeras i ett gravitationsfält, till exempel i jordens gravitationsfält. I detta fall har varje lager av vätska eller gas en viss vikt med vilken det trycker på de underliggande lagren. Detta tryck kallas statiskt tryck. Den ökar i direkt proportion till djupet h. Så, i fallet med en vätska med en densitet ρl, bestäms det hydrostatiska trycket P av formeln:
P=ρlgh.
Här g=9,81 m/s2- fritt fallacceleration nära vår planets yta.
Hydrostatiskt tryck har känts av varje person som har dykt flera meter under vattnet minst en gång.
Tänk sedan på frågan om flytkraft i exemplet med vätskor. Ändå gäller alla slutsatser som kommer att ges även för gaser.
Hydrostatiskt tryck och Arkimedes lag
Låt oss sätta upp följande enkla experiment. Låt oss ta en kropp med vanlig geometrisk form, till exempel en kub. Låt längden på sidan av kuben vara a. Låt oss doppa denna kub i vatten så att dess övre yta är på djupet h. Hur mycket tryck utövar vattnet på kuben?
För att svara på ovanstående fråga är det nödvändigt att överväga mängden hydrostatiskt tryck som verkar på varje sida av figuren. Uppenbarligen kommer det totala trycket som verkar på alla sidoytor att vara lika med noll (trycket på vänster sida kommer att kompenseras av trycket till höger). Det hydrostatiska trycket på ovansidan kommer att vara:
P1=ρlgh.
Detta tryck är nedåt. Dess motsvarande kraft är:
F1=P1S=ρlghS.
Där S är arean av ett kvadratiskt ansikte.
Kraften associerad med hydrostatiskt tryck, som verkar på kubens undersida, kommer att vara lika med:
F2=ρlg(h+a)S.
F2kraft riktas uppåt. Då kommer den resulterande kraften också att riktas uppåt. Dess betydelse är:
F=F2- F1=ρlg(h+a))S - ρlghS=ρlgaS.
Observera att produkten av kantlängden och ytarean S av en kub är dess volym V. Detta faktum gör att vi kan skriva om formeln enligt följande:
F=ρlgV.
Denna formel för flytkraften säger att värdet på F inte beror på djupet av kroppens nedsänkning. Eftersom volymen av kroppen V sammanfaller med volymen av vätskan Vl, som den förskjutit, kan vi skriva:
FA=ρlgVl.
Flytkraftsformeln FA kallas vanligtvis det matematiska uttrycket för Arkimedes lag. Det etablerades först av en antik grekisk filosof på 300-talet f. Kr. Det är brukligt att formulera Arkimedes lag på följande sätt: om en kropp är nedsänkt i en flytande substans, så verkar en vertik alt uppåtriktad kraft på den, som är lika med vikten av föremålet som förskjuts av kroppen.ämnen. Den flytande kraften kallas också för Arkimedeskraften eller lyftkraften.
Krafter som verkar på en fast kropp nedsänkt i en flytande substans
Det är viktigt att känna till dessa krafter för att kunna svara på frågan om kroppen kommer att flyta eller sjunka. I allmänhet finns det bara två av dem:
- gravitation eller kroppsvikt Fg;
- flytkraft FA.
Om Fg>FA, då är det säkert att säga att kroppen kommer att sjunka. Tvärtom, om Fg<FA, kommer kroppen att fastna på ämnets yta. För att sänka den måste du använda en extern kraft FA-Fg.
Genom att ersätta formlerna för de namngivna krafterna med de angivna ojämlikheterna kan man få ett matematiskt villkor för kroppars flytande. Det ser ut så här:
ρs<ρl.
Här ρs är kroppens genomsnittliga densitet.
Det är lätt att demonstrera effekten av ovanstående tillstånd i praktiken. Det räcker att ta två metallkuber, varav en är solid och den andra är ihålig. Om du kastar dem i vattnet kommer den första att sjunka och den andra flyter på vattenytan.
Använda flytkraft i praktiken
Alla fordon som rör sig på eller under vatten använder Arkimedes-principen. Så, förskjutningen av fartyg beräknas baserat på kunskapen om den maximala flytkraften. Ubåtar förändrasderas medeldensitet med hjälp av speciella ballastkammare, kan flyta eller sjunka.
Ett levande exempel på en förändring i den genomsnittliga densiteten av kroppen är en persons användning av flytvästar. De ökar den totala volymen avsevärt och ändrar samtidigt praktiskt taget inte vikten på en person.
Uppstigningen av en ballong eller heliumfyllda babyballonger i himlen är ett utmärkt exempel på den flytande arkimedeiska kraften. Dess utseende beror på skillnaden mellan densiteten av varm luft eller gas och kall luft.
Problemet med att beräkna den arkimedeiska kraften i vatten
Den ihåliga bollen är helt nedsänkt i vatten. Bollens radie är 10 cm. Det är nödvändigt att beräkna vattnets flytkraft.
För att lösa detta problem behöver du inte veta vilket material bollen är gjord av. Det är bara nödvändigt att hitta dess volym. Det senare beräknas med formeln:
V=4/3pir3.
Då kommer uttrycket för att bestämma den arkimedeiska vattenkraften att skrivas som:
FA=4/3pir3ρlg.
Genom att ersätta bollens radie och vattentätheten (1000 kg/m3), får vi att flytkraften är 41,1 N.
Problem med att jämföra arkimedeiska styrkor
Det finns två kroppar. Volymen på den första är 200 cm3, och den andra är 170 cm3. Den första kroppen nedsänktes i ren etylalkohol och den andra i vatten. Det är nödvändigt att fastställa om de flytkrafter som verkar på dessa kroppar är desamma.
Motsvarande arkimediska krafter beror på kroppens volym och på vätskans densitet. För vatten är densiteten 1000 kg/m3, för etylalkohol är den 789 kg/m3. Beräkna flytkraften i varje vätska med dessa data:
för vatten: FA=100017010-69, 81 ≈ 1, 67 N;
för alkohol: FA=78920010-69, 81 ≈ 1, 55 N.
I vatten är alltså den arkimedeiska kraften 0,12 N större än i alkohol.
