Плавучесть и закон Архимеда

Плавучесть — это фундаментальная концепция в физике, которая помогает нам понять, почему предметы плавают или тонут в жидкости, которая может быть жидкостью или газом. Эта концепция чрезвычайно важна не только в научных исследованиях, но и в повседневной жизни. Закон Архимеда дает более конкретное объяснение того, почему и как это происходит. Он был сформулирован древнегреческим математиком и изобретателем Архимедом. Этот принцип и концепция плавучести объясняют многие явления, происходящие в воде и воздухе.

Что такое плавучесть?

Плавучесть — это сила, направленная вверх, которую жидкость оказывает на объект, погруженный в нее. Эта сила действует в противоположном направлении от силы тяжести, которая тянет объекты вниз. Идея заключается в том, что когда объект помещается в жидкость, жидкость оказывает направленную вверх силу. Если эта направленная вверх сила больше, чем вес объекта, объект будет плавать. Если она меньше, объект утонет.

Пример плавучести

Рассмотрим небольшой шар, наполненный гелием. Когда вы его отпустите, шар поднимется в небо. Это происходит потому, что сила плавучести, действующая вверх, больше веса шара, тянущего его вниз из-за гравитации.

Закон Архимеда

Закон Архимеда гласит: «Любое тело, полностью или частично погруженное в жидкость, испытывает направленную вверх силу, равную весу жидкости, вытесненной телом». Это означает, что сила плавучести, действующая на объект, равна весу жидкости, вытесненной объектом при его погружении.

Давайте поймем этот принцип в простых шагах:

1. Поместите объект в жидкость.
2. Измерьте объем вытесненной жидкости.
3. Вычислите вес вытесненной жидкости.
4. Сила плавучести, действующая на объект, равна этому вычисленному весу.

Пример закона Архимеда

Представьте, что твердый куб из дерева объемом 2 кубических метра помещен в воду. Плотность воды составляет 1000 килограммов на кубический метр. Согласно закону Архимеда, сила плавучести может быть рассчитана следующим образом:

    Объем дерева = 2 кубических метра
    Плотность воды = 1000 кг/м³
    Ускорение свободного падения = 9.81 м/с²

    Сила плавучести = объём дерева × плотность воды × ускорение свободного падения
    Сила плавучести = 2 м³ × 1000 кг/м³ × 9.81 м/с²
    Сила плавучести = 19620 Н
    

Здесь сила плавучести, действующая на деревянный куб, составляет 19620 ньютонов.

Почему объекты плавают или тонут?

Будет ли объект плавать или тонуть, зависит от его плотности относительно плотности жидкости. Плотность определяется как масса на единицу объема. Вот математическое представление:

Если у объекта плотность больше, чем у жидкости, он утонет. Если меньше, будет плавать.

Пример эффекта разной плотности

Взгляните на пример масла и воды. Плотность масла составляет около 920 кг/м³, а воды - 1000 кг/м³. Поскольку масло менее плотное, чем вода, оно плавает на поверхности.

В отличие от этого, кусок железа с плотностью 7900 кг/м³ утонет в воде.

Понимание сил плавучести с помощью математики

Рассмотрим силы плавучести дальше с помощью математики. Представьте себе кусочек льда, плавающий в воде. Согласно закону Архимеда, сила плавучести будет равна весу вытесненной воды.

    Пусть:
    V = объем затопленного льда
    ρ_вода = плотность воды
    g = гравитационное ускорение (9.81 м/с²)

    Вес вытесненной воды = V × ρ_вода × g
    

Если вес льда меньше веса вытесненной воды, лед будет плавать.

Визуальные объяснения

Рассмотрим объект, погруженный в воду. Уровень воды повышается, когда объект вытесняет ее. Это увеличение представляет собой объем вытесненной воды.

Приложения в реальной жизни

Плавучесть и закон Архимеда имеют широкое применение в нашей повседневной жизни и промышленности:

• Корабли и лодки: Дизайн кораблей и лодок в значительной степени зависит от понимания плавучести, чтобы обеспечить их плавание по воде.
• Воздушные шары с горячим воздухом: Они поднимаются, потому что горячий воздух внутри менее плотный, чем холодный воздух снаружи.
• Подводные лодки: Они используют плавучесть для погружения и всплытия, регулируя свой объем, чтобы изменить общую плотность.

Бросок в воздух

Газы, такие как воздух, также могут оказывать плавучую силу. Подумайте о том, как гелиевые шары плавают. Гелий легче воздуха, и когда шар наполняется гелием, он вытесняет объем более тяжелого воздуха, заставляя его подниматься.

Математический пример с воздухом

Рассмотрим шар, наполненный гелием:

    Объем шара = 0.1 м³
    Плотность воздуха = 1.225 кг/м³
    Плотность гелия = 0.1786 кг/м³
    g = 9.81 м/с²

    Сила плавучести = объем шара × плотность воздуха × g
    Вес гелия = Объем шара × Плотность гелия × граммы

    Общая сила вверх = сила плавучести – вес гелия
    

Таким образом, чистая сила помогает шарику подняться в воздух.

Заключение

Понимание плавучести и закона Архимеда важно, так как они объясняют различные явления, такие как почему галька тонет, а огромный корабль плавает, и как рыбы поднимаются или опускаются в воде. Эти знания не только расширяют наше научное понимание, но также являются основополагающими для инженерии и проектирования объектов, где плавающие объекты играют важную роль.

Практический эксперимент

Вы можете увидеть плавучесть в действии, проведя простой эксперимент дома. Наполните миску водой и осторожно положите в нее различные объекты, такие как монетка, кусочек дерева и крышка от пластиковой бутылки. Посмотрите, будут ли они плавать или тонуть. Это поможет вам понять, как плотность влияет на плавучесть различных материалов.

Комментарии