Что такое буйская сила? Происхождение, принципы, формулы

Плавучесть - это сила, которая позволяет лодкам и пляжным мячам плавать на воде. Срок выталкивающая сила относится к направленной вверх силе, которую жидкость (либо жидкость, либо газ) оказывает на объект, который частично или полностью погружен в жидкость. Плавучая сила также объясняет, почему мы можем поднимать объекты под водой легче, чем на суше.

Ключевые выводы: Buoyant Force

По словам римского архитектора Витрувия, греческий математик и философ Архимед впервые обнаруженная плавучесть в 3 веке ДО НАШЕЙ ЭРЫ. в то время как он ломал голову над проблемой, поставленной перед ним королем Иеро II из Сиракуз. Царь Иеро подозревал, что его золотая корона, выполненная в форме венка, была на самом деле не из чистого золота, а скорее из золота и серебра.

Предположительно, принимая ванну, Архимед заметил, что чем больше он погружался в ванну, тем больше воды вытекало из нее. Он понял, что это был ответ на его затруднительное положение, и бросился домой, крича «Эврика!» («Я нашел это!») Затем он сделал два предметы - одно золото и одно серебро - имели тот же вес, что и корона, и бросали каждый в сосуд, наполненный до краев воды.

Архимед заметил, что серебряная масса вызвала больше воды из сосуда, чем золотая. Затем он заметил, что его «золотая» корона вызвала больше воды из сосуда, чем созданный им предмет из чистого золота, хотя две короны имели одинаковый вес. Таким образом, Архимед продемонстрировал, что его корона действительно содержала серебро.

Хотя этот рассказ иллюстрирует принцип плавучести, он может быть легендой. Архимед никогда не записывал историю сам. Кроме того, на практике, если бы небольшое количество серебра действительно было заменено на золото, количество вытесненной воды было бы слишком маленьким, чтобы его можно было надежно измерить.

До открытия плавучести считалось, что форма объекта определяет, будет ли он плавать.

Плавучая сила возникает из-за различий в гидростатическое давление - давление, оказываемое статическая жидкость. Шар, помещенный выше в жидкости, будет испытывать меньшее давление, чем тот же шар, помещенный дальше вниз. Это потому, что больше жидкости, и, следовательно, больше веса, действующего на шар, когда он находится глубже в жидкости.

Таким образом, давление в верхней части объекта слабее, чем давление в нижней части. Давление можно преобразовать в силу, используя формулу Force = Pressure x Area. Есть сеть сила указывая вверх. Эта чистая сила, которая направлена ​​вверх независимо от формы объекта, является силой плавучести.

Гидростатическое давление определяется как P = rgh, где r - плотность жидкости, г ускорение силы тяжестии ч это глубина внутри жидкости. Гидростатическое давление не зависит от формы жидкости.

Принцип Архимеда утверждает, что выталкивающая сила, действующая на объект, который частично или полностью погружен в жидкость, равна весу жидкости, которая перемещается объектом.

Это выражается формулой F = rgV, где r - плотность жидкости, g - ускорение под действием силы тяжести, а V - объем жидкости, который вытесняется объектом. V равен объему объекта, только если он полностью погружен.

Плавучая сила - это восходящая сила, которая противостоит нисходящей силе гравитации. Величина выталкивающей силы определяет, будет ли объект погружаться, плавать или подниматься при погружении в жидкость.

• Объект утонет, если сила гравитации, действующая на него, больше, чем выталкивающая сила.
• Объект будет плавать, если действующая на него сила гравитации равна выталкивающей силе.
• Объект поднимется, если сила гравитации, действующая на него, меньше, чем выталкивающая сила.

Из этой формулы также можно сделать несколько других наблюдений.

• Погруженные объекты, которые имеют равные объемы, будут вытеснять одинаковое количество жидкости и испытывать одинаковую величину выталкивающей силы, даже если объекты сделаны из разных материалов. Однако эти объекты будут различаться по весу и будут плавать, подниматься или тонуть.
• Воздух, плотность которого примерно в 800 раз ниже плотности воды, будет испытывать гораздо меньшую плавучую силу, чем вода.

Куб объемом 2,0 см³ погружен на полпути в воду. Какую плавучую силу испытывает куб?

• Мы знаем, что F = rgV.
• г = плотность воды = 1000 кг / м³
• g = ускорение свободного падения = 9,8 м / с²
• V = половина объема куба = 1,0 см³ = 1.0*10^-6 м³
• Таким образом, F = 1000 кг / м³ * (9,8 м / с²) * 10^-6 м³ = .0098 (кг * м) / с² = .0098 Ньютоны.

Куб объемом 2,0 см³ полностью погружен в воду. Какую плавучую силу испытывает куб?

• Мы знаем, что F = rgV.
• г = плотность воды = 1000 кг / м3
• g = ускорение свободного падения = 9,8 м / с²
• V = объем куба = 2,0 см³ = 2.0*10^-6 м3
• Таким образом, F = 1000 кг / м³ * (9,8 м / с²) * 2,0 * 10-6 м³ = 0,0196 (кг * м) / с² = .0196 Ньютоны.

• Биелло, Дэвид. «Факт или вымысел? Архимед ввел термин« Эврика! »В бане». Ученый американец, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
• «Плотность, температура и соленость». Гавайский университет, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
• Роррес, Крис. «Золотая корона: введение». Университет штата Нью-Йорк, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.