Når mange mennesker ser ballonflyvningen og skibes bevægelse på havoverfladen, spekulerer mange på: hvad får disse køretøjer til at stige op i himlen eller holder disse køretøjer på vandoverfladen? Svaret på dette spørgsmål er opdrift. Lad os se nærmere på det i artiklen.
Væsker og statisk tryk i dem
Væske er to samlede tilstande af stof: gas og væske. Indvirkningen af enhver tangentiel kraft på dem får nogle stoflag til at flytte sig i forhold til andre, det vil sige, at stof begynder at flyde.
Væsker og gasser består af elementarpartikler (molekyler, atomer), som ikke har en bestemt position i rummet, som for eksempel i faste stoffer. De bevæger sig konstant i forskellige retninger. I gasser er denne kaotiske bevægelse mere intens end i væsker. På grund af det bemærkede faktum kan flydende stoffer overføre det tryk, der udøves på dem, ligeligt i alle retninger (Pascals lov).
Da alle bevægelsesretninger i rummet er ens, er det samlede tryk på et elementært elementvolumenet inde i væsken er nul.
Situationen ændrer sig radik alt, hvis det pågældende stof placeres i et gravitationsfelt, for eksempel i Jordens tyngdefelt. I dette tilfælde har hvert lag af væske eller gas en vis vægt, som det presser på de underliggende lag med. Dette tryk kaldes statisk tryk. Den øges i direkte forhold til dybden h. Så i tilfælde af en væske med en massefylde ρl, er det hydrostatiske tryk P bestemt af formlen:
P=ρlgh.
Here g=9,81 m/s2- frit faldsacceleration nær overfladen af vores planet.
Hydrostatisk tryk er blevet følt af enhver person, der har dykket adskillige meter under vandet mindst én gang.
Dernæst skal du overveje spørgsmålet om opdrift i eksemplet med væsker. Ikke desto mindre gælder alle de konklusioner, der vil blive givet, også for gasser.
Hydrostatisk tryk og Arkimedes' lov
Lad os opsætte følgende enkle eksperiment. Lad os tage en krop med regelmæssig geometrisk form, for eksempel en terning. Lad længden af terningens side være a. Lad os nedsænke denne terning i vand, så dens overside er i dybden h. Hvor meget tryk udøver vandet på kuben?
For at besvare ovenstående spørgsmål er det nødvendigt at overveje mængden af hydrostatisk tryk, der virker på hver side af figuren. Det er klart, at det samlede tryk, der virker på alle sideflader, vil være lig nul (trykket på venstre side vil blive kompenseret af trykket til højre). Det hydrostatiske tryk på oversiden vil være:
P1=ρlgh.
Dette pres er nedadgående. Dens tilsvarende kraft er:
F1=P1S=ρlghS.
Hvor S er arealet af et kvadratisk ansigt.
Kraften forbundet med hydrostatisk tryk, som virker på bunden af kuben, vil være lig med:
F2=ρlg(h+a)S.
F2kraft er rettet opad. Så vil den resulterende kraft også blive rettet opad. Dens betydning er:
F=F2- F1=ρlg(h+a))S - ρlghS=ρlgaS.
Bemærk, at produktet af kantlængden og fladearealet S af en terning er dens volumen V. Dette faktum giver os mulighed for at omskrive formlen som følger:
F=ρlgV.
Denne formel for opdriftskraften siger, at værdien af F ikke afhænger af dybden af kroppens nedsænkning. Da volumenet af legemet V falder sammen med volumenet af væsken Vl, som det fortrængte, kan vi skrive:
FA=ρlgVl.
Opdriftskraftformlen FA kaldes almindeligvis det matematiske udtryk for Arkimedes' lov. Det blev først etableret af en gammel græsk filosof i det 3. århundrede f. Kr. Det er sædvanligt at formulere Arkimedes' lov således: hvis et legeme er nedsænket i et flydende stof, så virker en lodret opadgående kraft på det, som er lig med vægten af det objekt, der forskydes af kroppen.stoffer. Flydekraften kaldes også Arkimedes-kraften eller løftekraften.
Krakter, der virker på et fast legeme nedsænket i et flydende stof
Det er vigtigt at kende disse kræfter for at kunne besvare spørgsmålet, om kroppen vil flyde eller synke. Generelt er der kun to af dem:
- tyngdekraft eller kropsvægt Fg;
- opdriftskraft FA.
Hvis Fg>FA, så er det sikkert at sige, at kroppen vil synke. Tværtimod, hvis Fg<FA, så vil kroppen klæbe til overfladen af stoffet. For at sænke den skal du bruge en ekstern kraft FA-Fg.
Ved at erstatte formlerne for de navngivne kræfter i de angivne uligheder, kan man opnå en matematisk betingelse for svævning af legemer. Det ser sådan ud:
ρs<ρl.
Her er ρs kroppens gennemsnitlige tæthed.
Det er let at demonstrere effekten af ovenstående tilstand i praksis. Det er nok at tage to met alterninger, hvoraf den ene er solid og den anden er hul. Hvis du smider dem i vandet, vil den første synke, og den anden vil flyde på vandoverfladen.
Brug af opdrift i praksis
Alle køretøjer, der bevæger sig på eller under vand, bruger Archimedes-princippet. Så forskydningen af skibe beregnes baseret på viden om den maksimale opdriftskraft. Ubåde i forandringderes gennemsnitlige tæthed ved hjælp af specielle ballastkamre, kan flyde eller synke.
Et levende eksempel på en ændring i den gennemsnitlige tæthed af kroppen er en persons brug af redningsveste. De øger det samlede volumen markant og ændrer praktisk t alt ikke en persons vægt.
Opstigningen af en ballon eller heliumfyldte babyballoner på himlen er et glimrende eksempel på den flydende arkimediske kraft. Dets udseende skyldes forskellen mellem densiteten af varm luft eller gas og kold luft.
Problemet med at beregne den arkimedeiske kraft i vand
Den hule kugle er helt nedsænket i vand. Kuglens radius er 10 cm. Det er nødvendigt at beregne vandets opdrift.
For at løse dette problem behøver du ikke vide, hvilket materiale bolden er lavet af. Det er kun nødvendigt at finde dens volumen. Sidstnævnte beregnes med formlen:
V=4/3pir3.
Så vil udtrykket for bestemmelse af den arkimediske vandkraft skrives som:
FA=4/3pir3ρlg.
Ved at erstatte kuglens radius og vandtætheden (1000 kg/m3), får vi, at opdriftskraften er 41,1 N.
Problem med at sammenligne arkimedeanske styrker
Der er to kroppe. Volumen af den første er 200 cm3, og den anden er 170 cm3. Den første krop blev nedsænket i ren ethylalkohol, og den anden i vand. Det er nødvendigt at bestemme, om de flydekræfter, der virker på disse kroppe, er de samme.
De tilsvarende arkimediske kræfter afhænger af kroppens volumen og af væskens tæthed. For vand er densiteten 1000 kg/m3, for ethylalkohol er den 789 kg/m3. Beregn opdriftskraften i hver væske ved hjælp af disse data:
for vand: FA=100017010-69, 81 ≈ 1, 67 N;
for alkohol: FA=78920010-69, 81 ≈ 1, 55 N.
I vand er den arkimedeiske kraft 0,12 N større end i alkohol.
