Pagmamasid sa paglipad ng mga lobo at paggalaw ng mga barko sa ibabaw ng dagat, maraming tao ang nagtataka: ano ang dahilan ng pag-akyat ng mga sasakyang ito sa langit o pinapanatili ang mga sasakyang ito sa ibabaw ng tubig? Ang sagot sa tanong na ito ay buoyancy. Tingnan natin ito nang mas malapit sa artikulo.
Mga likido at static na presyon sa mga ito
Ang
Fluid ay dalawang pinagsama-samang estado ng matter: gas at likido. Ang epekto ng anumang tangential force sa kanila ay nagdudulot ng paglipat ng ilang layer ng matter sa iba, iyon ay, ang matter ay nagsisimulang dumaloy.
Ang mga likido at gas ay binubuo ng mga elementarya na particle (mga molekula, mga atom), na walang tiyak na posisyon sa kalawakan, gaya ng, halimbawa, sa mga solido. Patuloy silang gumagalaw sa iba't ibang direksyon. Sa mga gas, ang magulong paggalaw na ito ay mas matindi kaysa sa mga likido. Dahil sa nabanggit na katotohanan, ang mga fluid substance ay maaaring magpadala ng pantay na presyon na ibinibigay sa kanila sa lahat ng direksyon (Pascal's law).
Dahil ang lahat ng direksyon ng paggalaw sa kalawakan ay pantay, ang kabuuang presyon sa anumang elementaryazero ang volume sa loob ng fluid.
Ang sitwasyon ay radikal na nagbabago kung ang pinag-uusapang substance ay inilagay sa isang gravitational field, halimbawa, sa gravity field ng Earth. Sa kasong ito, ang bawat layer ng likido o gas ay may isang tiyak na bigat kung saan pinindot nito ang mga pinagbabatayan na mga layer. Ang presyon na ito ay tinatawag na static pressure. Tumataas ito sa direktang proporsyon sa lalim h. Kaya, sa kaso ng isang likido na may density ρl, ang hydrostatic pressure P ay tinutukoy ng formula:
P=ρlgh.
Dito g=9.81 m/s2- free fall acceleration malapit sa ibabaw ng ating planeta.
Ang hydrostatic pressure ay naramdaman ng bawat tao na sumisid ng ilang metro sa ilalim ng tubig kahit isang beses.
Susunod, isaalang-alang ang isyu ng buoyancy sa halimbawa ng mga likido. Gayunpaman, ang lahat ng mga konklusyon na ibibigay ay may bisa din para sa mga gas.
Hydrostatic pressure at batas ni Archimedes
I-set up natin ang sumusunod na simpleng eksperimento. Kumuha tayo ng isang katawan ng regular na geometric na hugis, halimbawa, isang kubo. Hayaang ang haba ng gilid ng kubo ay a. Ilubog natin ang kubo na ito sa tubig upang ang itaas na mukha nito ay nasa lalim h. Gaano kalakas ang pressure ng tubig sa cube?
Upang masagot ang tanong sa itaas, kinakailangang isaalang-alang ang dami ng hydrostatic pressure na kumikilos sa bawat mukha ng figure. Malinaw, ang kabuuang presyon na kumikilos sa lahat ng panig na mukha ay magiging katumbas ng zero (ang presyon sa kaliwang bahagi ay mababayaran ng presyon sa kanan). Ang hydrostatic pressure sa itaas na mukha ay magiging:
P1=ρlgh.
Pababa ang pressure na ito. Ang katumbas nitong puwersa ay:
F1=P1S=ρlghS.
Kung saan ang S ay ang lugar ng isang parisukat na mukha.
Ang puwersang nauugnay sa hydrostatic pressure, na kumikilos sa ilalim na mukha ng cube, ay magiging katumbas ng:
F2=ρlg(h+a)S.
F2force ay nakadirekta pataas. Pagkatapos ang resultang puwersa ay ididirekta din pataas. Ang kahulugan nito ay:
F=F2- F1=ρlg(h+a)S - ρlghS=ρlgaS.
Tandaan na ang produkto ng haba ng gilid at ang bahagi ng mukha S ng isang kubo ay ang volume nito V. Ang katotohanang ito ay nagpapahintulot sa amin na muling isulat ang formula bilang sumusunod:
F=ρlgV.
Itong formula ng buoyancy force ay nagsasabi na ang halaga ng F ay hindi nakadepende sa lalim ng paglubog ng katawan. Dahil ang volume ng katawan V ay tumutugma sa dami ng likidong Vl, na inilipat nito, maaari nating isulat ang:
FA=ρlgVl.
Ang formula ng buoyancy force na FA ay karaniwang tinatawag na mathematical expression ng batas ni Archimedes. Ito ay unang itinatag ng isang sinaunang pilosopong Griyego noong ika-3 siglo BC. Nakaugalian na bumalangkas ng batas ni Archimedes tulad ng sumusunod: kung ang isang katawan ay nahuhulog sa isang likidong substansiya, kung gayon ang isang patayong pataas na puwersa ay kumikilos dito, na katumbas ng bigat ng bagay na inilipat ng katawan.mga sangkap. Ang buoyant force ay tinatawag ding Archimedes force o ang lifting force.
Mga puwersang kumikilos sa isang solidong katawan na nakalubog sa likidong substance
Mahalagang malaman ang mga puwersang ito upang masagot ang tanong kung lulutang o lulubog ang katawan. Sa pangkalahatan, dalawa lang sila:
- gravity o timbang ng katawan Fg;
- puwersa ng buoyancy FA.
Kung Fg>FA, ligtas na sabihing lulubog ang katawan. Sa kabaligtaran, kung Fg<FA, kung gayon ang katawan ay mananatili sa ibabaw ng sangkap. Para lumubog ito, kailangan mong maglapat ng external force FA-Fg.
Ang pagpapalit ng mga formula para sa mga pinangalanang pwersa sa mga ipinahiwatig na hindi pagkakapantay-pantay, ang isa ay maaaring makakuha ng isang mathematical na kondisyon para sa mga lumulutang na katawan. Mukhang ganito:
ρs<ρl.
Dito ρs ay ang average na density ng katawan.
Madaling ipakita ang epekto ng kondisyon sa itaas sa pagsasanay. Ito ay sapat na upang kumuha ng dalawang metal cubes, ang isa ay solid at ang isa ay guwang. Kung itatapon mo sila sa tubig, lulubog ang una, at lulutang ang pangalawa sa ibabaw ng tubig.
Paggamit ng buoyancy sa pagsasanay
Lahat ng sasakyang gumagalaw sa o sa ilalim ng tubig ay gumagamit ng prinsipyong Archimedes. Kaya, ang pag-aalis ng mga barko ay kinakalkula batay sa kaalaman ng maximum na puwersa ng buoyancy. Nagbabago ang mga submarinoang kanilang average na density sa tulong ng mga espesyal na ballast chamber, ay maaaring lumutang o lumubog.
Isang matingkad na halimbawa ng pagbabago sa karaniwang density ng katawan ay ang paggamit ng mga life jacket ng isang tao. Ang mga ito ay makabuluhang nagpapataas ng kabuuang volume at sa parehong oras ay halos hindi nagbabago sa bigat ng isang tao.
Ang pagtaas ng balloon o mga baby balloon na puno ng helium sa kalangitan ay isang pangunahing halimbawa ng masiglang puwersa ng Archimedean. Ang hitsura nito ay dahil sa pagkakaiba sa pagitan ng density ng mainit na hangin o gas at malamig na hangin.
Ang problema sa pagkalkula ng puwersa ng Archimedean sa tubig
Ang guwang na bola ay lubusang nakalubog sa tubig. Ang radius ng bola ay 10 cm. Kinakailangang kalkulahin ang buoyancy ng tubig.
Upang malutas ang problemang ito, hindi mo kailangang malaman kung saang materyal ginawa ang bola. Ito ay kinakailangan lamang upang mahanap ang dami nito. Ang huli ay kinakalkula ng formula:
V=4/3pir3.
Kung gayon ang ekspresyon para sa pagtukoy sa puwersa ng tubig ng Archimedean ay isusulat bilang:
FA=4/3pir3ρlg.
Pinapalitan ang radius ng bola at ang density ng tubig (1000 kg/m3), nakuha namin na ang buoyancy force ay 41.1 N.
Problema sa pagkukumpara ng mga puwersa ng Archimedean
May dalawang katawan. Ang volume ng una ay 200 cm3, at ang pangalawa ay 170 cm3. Ang unang katawan ay inilubog sa purong ethyl alcohol, at ang pangalawa sa tubig. Kinakailangang matukoy kung pareho ang buoyant force na kumikilos sa mga katawan na ito.
Ang kaukulang pwersa ng Archimedean ay nakasalalay sa dami ng katawan at sa density ng likido. Para sa tubig, ang density ay 1000 kg/m3, para sa ethyl alcohol ito ay 789 kg/m3. Kalkulahin ang puwersa ng buoyancy sa bawat fluid gamit ang data na ito:
para sa tubig: FA=100017010-69, 81 ≈ 1, 67 N;
para sa alak: FA=78920010-69, 81 ≈ 1, 55 N.
Kaya, sa tubig, ang puwersa ng Archimedean ay 0.12 N na mas malaki kaysa sa alkohol.
