V-kosmose.com

Плавучесть и принцип Архимеда

Физика > Плавучесть и принцип Архимеда

 

Узнайте, как определить плавучесть через принцип Архимеда: повышение давления с глубиной, формула принципа Архимеда, давление в жидкости, примеры решения задач.

Чтобы рассчитать плавучесть, воспользуйтесь принципом Архимеда.

Задача обучения

  • Высчитать направление силы плавучести.

Основные пункты

  • Плавучесть возможна из-за давления жидкости, выступающей внешней средой.
  • Сила плавучести всегда направлена вверх, потому что давление возрастает с глубиной.
  • Можно определить плавучесть через силу, влияющую на каждую часть поверхности тела или через обнаружение веса перемещенной жидкости.

Термины

  • Принцип Архимеда: плавучая сила, влияющая на погруженное в жидкость тело, приравнивается к весу вытесненной жидкости.
  • Плавучая сила – созданная жидкостью возрастающая сила, вступающая в сопротивление весу погруженного объекта.

Когда вы поднимаетесь из теплой и расслабляющей ванны, можете почувствовать, что руки наливаются странной тяжестью. Подобное возникает из-за потери плавучего носителя воды. Как формируется плавучая сила? Почему одни тела держатся на воде, а вторые тонут?

Причины возникновения и вычисления

Начать стоит с того, что в любой жидкости давление возрастает с увеличением глубины. Когда тело окунается, восходящая сила на его дне больше, чем показатели в верхней части. В итоге, имеем чистую восходящую силу (плавучесть). Если она превосходит вес тела, то оно поднимется и будет плавать. Если же меньше, то опускается на дно. Интересно, если они стоят наравне, ведь тогда объект застрянет на определенной глубине. Независимо от поведения тела, плавучая сила присутствует всегда.

Плавучая сила возникает из-за давления от жидкости. Она толкает погруженный предмет со всех сторон. Но, чем глубже, тем сильнее концентрируется на нижней части.

Можно рассчитать плавучесть, прибавив силы, влияющие со всех сторон. Проверим это на примере. Площадь верхней поверхности – А, а глубина – h1. Тогда давление:

Р1 = h1ρg (ρ – плотность жидкости, g ≈ 9.81 м/с2 – гравитационное ускорение). Величина силы на верхней поверхности:

F1 = P1A = h1ρgA.

Эта сила указывает вниз. На нижней поверхности:

F2 = Р2А = h2ρgA

Она указывает вверх. Предмет выступает цилиндрическим, поэтому сила на боках приравнивается к нулю – противостоят друг другу и отменяются. Выходит, что чистая восходящая сила на цилиндре:

FB = F2-F1 = ρgA (h2-h1).

Принцип Архимеда

Хотя мы располагаем формулами, но вычислить плавучесть не всегда так легко. Ситуацию значительно упрощает принцип Архимеда: влияющая на погруженный объект плавучая сила приравнивается к весу вытесненной им жидкости. То есть, мы буквально предполагаем, что часть предмета, расположенная под водой, теперь становится водной и вычисляем ее вес.

Плавучая сила на судне (а) приравнивается к весу воды, отведенной под погруженную часть (пунктирная линия в b)

Принцип переводится в формулу:

FB = Wfl

Вся суть в том, что плавучесть основывается на оказываемом жидкостью давлении. Давайте заменим погруженную часть тела жидкостью. Сила плавучести в этом количестве обязана быть такой же, как и у корабля. Но мы знаем, что плавучесть на жидкости должна приравниваться к ее весу, поэтому получаем вес смещенной жидкости.

Принцип Архимеда можно применить не только для любой жидкости, но и газов.


Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5
(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)