Закон Архимеда. Условия плавания тел

На тело, погруженное в жидкость, кроме силы тяжести, действует выталкивающая сила — сила Архимеда. Жидкость давит на все грани тела, но давление это неодинаков. Ведь нижняя грань тела погружена в жидкость больше, чем верхняя, а давление с глубиной возрастает. То есть сила, действующая на нижнюю грань тела, будет больше, чем сила, действующая на верхнюю грань. Поэтому возникает сила, которая пытается вытолкнуть тело из жидкости.

Значение архимедовой силы зависит от плотности жидкости и объема той части тела, которая находится непосредственно в жидкости. Сила Архимеда действует не только в жидкостях, но и в газах.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме тела. Для того чтобы рассчитать силу Архимеда, необходимо перемножить плотность жидкости, объем части тела, погруженное в жидкость, и постоянную величину g.

На тело, которое находится внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести и сила Архимеда. Под действием этих сил тело может двигаться. Существует три условия плавания тел:

• Если сила тяжести больше архимедовой силы, тело будет тонуть, опускаться на дно.
• Если сила тяжести равна силе Архимеда, то тело может находиться в равновесии в любой точке жидкости, тело плавает внутри жидкости.
• Если сила тяжести меньше архимедовой силы, тело будет всплывать, подниматься вверх.

Эти условия можно записать для плотности жидкости и тела:

• Если плотность тела больше плотности жидкости, тело будет тонуть, опускаться на дно.
• Если плотность тела равна плотности жидкости, то тело может находиться и равновесии в любой точке жидкости, тело плавает внутри жидкости.
• Если плотность тела меньше плотности жидкости, тело будет всплывать, подниматься вверх.

Кит, хотя и живет в воде, но дышит легкими. Несмотря на наличие легких, кит не проживет и часа, если случайно окажется на суше. Сила тяжести, действующая на кита, достигает 90 000-100 000 ньютонов. В воде эта сила уравновешивается выталкивающей силой, а на суше у кита под действием такой огромной силы сжимаются кровеносные сосуды, прекращается дыхание, и он погибает.

Закон Архимеда используют и для воздухоплавания. Впервые воздушный шар в 1783 году создали братья Монгольфье. В 1852 году француз Жиффар создал дирижабль — управляемый аэростат с воздушным рулем и винтом.

 

xn—-7sbfhivhrke5c.xn--p1ai

Это не обсуждается: Закон Архимеда

В нашем мире противоречий и сомнений есть вещи, которые не обсуждаются — аксиомы и законы. Например, один из главнейших законов физики — закон Архимеда. Мы даже не задумываемся о том, что практически любое наше действие подчинено этому закону. Давайте вспомним, как он работает и поему его знание так важно и в быту, и в науке.

После сытного обеда, по закону Архимеда, полагается поспать. Так шутят ученики до 7 класса, пока не узнают, как работает один из важнейших законов физики, открытый еще до нашей эры. Царь Сиракуз обратился к Архимеду с просьбой проверить золотую корону. У правителя было подозрение, что кузнец смухлевал и разбавил сплав серебром.

Архимед заметил, что при погружении в ванную любое тело вытесняет определенное количество воды. Ученый взял корону и слиток золота, который весил столько, сколько кузнецу дали для ее изготовления. Он опустил в воду эти предметы по очереди и выяснил, что корона вытесняет больше воды, чем слиток, несмотря на одинаковый вес. А значит, в сплав кузнец добавил более легкое серебро. Так и родился закон Архимеда: объем вытесняемой жидкости или газа равен объему погруженного в них тела. Гидростатическую силу, за счет которой это происходит, назвали Архимедовой подъемной силой.

Закон Архимеда и сейчас помогает делать и подводные лодки, и круизный лайнеры. А в бытовой жизни можно быть уверенным, что из наполненной ванны выльется на пол ровно такой объем воды, каков объем вашего или любого другого плюхнувшегося в ванну тела.

Закон Архимеда существует и работает в своей неизменной форме. То же самое относится к выбору скоростного режима на дороге. Значение скорости, указанное на дорожном знаке, следует понимать однозначно, без лишних интерпретаций — это всегда максимально разрешенная скорость. Соблюдайте ее и путешествуйте безопасно!

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:

Это не обсуждается: Скоростной режим

Это не обсуждается: Золотое сечение

Это не обсуждается: Таблица умножения

Это не обсуждается: Таблица Менделеева

Это не обсуждается: Закон всемирного тяготения

Это не обсуждается: Число Пи

www.kp.ru

причина возникновения, формула и использование в технике и природе :: SYL.ru

Многие наблюдали, как плывут по морю корабли, летят в атмосфере воздушные шары. Тем не менее, мало кто знает, какая сила заставляет твердые тела подниматься вверх в воде и в воздухе. В данной статье рассмотрим вопросы о том, что такое архимедова сила, в чем заключается физическая причина ее возникновения, и по какой формуле рассчитывается ее величина.

Давление в объеме текучей субстанции

Чтобы понять причину появления архимедовой силы, следует рассмотреть особенности существования давления внутри текучих субстанций. Такими субстанциями считаются газы и жидкости, поскольку любая минимальная сдвиговая сила, приложенная к ним, приводит к смещению в них одних слоев относительно других, то есть появляется течение.

Для примера рассмотрим жидкость (вода, спирт, бензин и т.д.). Во-первых, жидкость является несжимаемым веществом. Во-вторых, все элементарные частицы, которые ее составляют, движутся хаотически в разных направлениях. Это движение приводит к тому, что на любой объем внутри жидкости действует давление со всех сторон. Поскольку каждой компоненте давления соответствует аналогичная, которая направлена в противоположную сторону, то общее давление на рассматриваемый объем равно нулю.

Если жидкость находится в поле гравитационных сил (например, в поле земного тяготения), то верхние слои начинают своим весом давить на нижние. Оказываемое ими давление получило название гидростатического. Оно определяется по формуле:

P = ρ*g*h.

Где ρ — жидкости плотность, h — расстояние от поверхности жидкости, то есть глубина.

Архимедова сила появляется за счет гидростатического давления. Рассмотрим в следующем пункте подробнее причину ее появления.

Традиционно считается, что открытие выталкивающей силы и математического закона, который ее определяет, принадлежит Архимеду. Согласно легенде, он использовал этот закон для определения поддельной золотой короны. Сформулировать закон Архимеда можно следующим образом: погруженное в текучую субстанцию тело испытывает выталкивающую его вверх силу, которая равна весу вытесненной им жидкости. Выталкивающая сила в физике получила название архимедовой.

Как уже было отмечено, причиной появления выталкивающей силы является гидростатическое давление. Дело в том, что на любое погруженное тело давление, оказываемое жидкостью на верхнюю часть тела, всегда будет меньше давления, которое приложено к его нижней части. Разница между ними, умноженная на площадь воздействия, является выталкивающей силой.

Формула архимедовой силы записывается в следующем виде:

F_A = ρ_l*g*V_l.

Где ρ_l и V_l — плотность жидкости и ее объем, который был вытеснен погруженным телом. Не следует путать величину V_l с объемом тела, который далее будем обозначать V_s. Поскольку жидкость является несжимаемой, то эти объемы будут равны друг другу только при полном погружении тела.

Условие плавания твердых тел в текучих субстанциях

Будет ли тонуть тело в жидкости, или же оно будет в ней плавать, это зависит от соотношения между двумя силами (сила тяжести и архимедова сила). Поскольку первая равна весу тела, то можно записать следующее равенство:

m_s*g = ρ_l*g*V_l.

Записывая массу через плотность, и предполагая, что тело полностью погружено в жидкость, приходим к следующему равенству:

ρ_s*g*V_s = ρ_l*g*V_l =>

ρ_s = ρ_l.

Полученное математическое выражение является условием того, чтобы тело не плавало и не тонуло в жидкости. Оно будет всегда находиться на поверхности текучей субстанции, если его плотность ниже, чем плотность жидкости. При обратном соотношении между этими плотностями тело будет тонуть.

Далее покажем, где применяется рассмотренный закон, и решим задачу с его использованием.

Плавание различных объектов

Пожалуй, самым известным примером является плавание судов. Так, любой корабль имеет среднюю плотность меньше, чем плотность воды (1 г/см³), поэтому он не тонет, несмотря на то, что сделан из гораздо более плотных металлических материалов.

В случае подводной лодки, следует отметить, что ее плавучесть регулируется с помощью балласта. Так, набирая морскую воду в специально предусмотренные емкости, лодка увеличивает свою среднюю плотность и начинает погружаться. Наоборот, откачивание воды из названных емкостей уменьшает ее среднюю плотность, что приводит к всплытию подводной лодки. В соответствии с этим же принципом рыбы, имеющие плавательный пузырь, с легкостью изменяют глубину своего погружения.

Принцип воздухоплавания аэростатов и воздушных шаров ничем не отличается от плавания судов в воде. Например, воздушный шар использует во время своего полета горячий воздух. Как известно из физики, при нагревании плотность воздуха уменьшается за счет его расширения. В результате воздушный шар получает возможность поднимать некоторый груз в воздухе, используя выталкивающую архимедову силу.

Прибор для измерения плотности

Рассматривая закон Архимеда и его использование, следует сказать, что помимо плавания судов, он находит применение при определении плотности анализируемой жидкости. Для этого используют плотномер или денсиметр. Он представляет собой стеклянную трубку, внизу которой находится свинец. Трубка имеется шкалу делений. При помещении прибора в любую жидкость, он точно показывает ее плотность.

Плотномер применяют для определения заряженности аккумулятора, для анализа чистоты молока или содержания спирта в вине.

Задача на применение закона Архимеда

Предположим, что воздушный шар имеет объем 1000 м³. Плотность воздуха, окружающего шар, равна 1,225 кг/м³. Необходимо определить, какой груз сможет поднять шар, если плотность горячего воздуха в его объеме составляет 1 кг/м³.

Запишем выражение равенства сил:

P_g + P_s = F_A.

Где P_g — вес груза, который поднимает шар, P_s — вес самого шара. Будем считать, что средняя плотность шара равна плотности горячего воздуха в нем, тогда приведенное выражение можно переписать так:

m_g*g = V*g*(ρ_a — ρ_s).

Где V — объем шара, ρ_s — его плотность, ρ_a — плотность воздуха, m_g — масса поднимаемого груза. Тогда m_g будет равна:

m_g = V*(ρ_a — ρ_s) = 1000*(1,225 — 1) = 225 кг.

Таким образом, данный шар сможет поднять 3 человека массой 70 кг каждый.

www.syl.ru

Сформулируйте и докажите закон Архимеда. Каков физический смысл выталкивающей силы, возникающей в жидкостях и газах.

Закон Архимеда –на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

Док-во:

Физический смысл выталкивающей силы:

На тело, погруженное в жидкость или газ в первую очередь действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Под действием силы тяжести тело стремится вниз, вытесняя таким образом часть жидкости или газа вверх. Но на жидкость или газ также действует сила тяжести, направленная вертикально вниз, поэтому жидкость или газ стремятся занять место, из которого были вытеснены телом, выталкивая тело вверх.

На доске, лежащей своими концами на опорах, стоит человек. Увеличится или уменьшится прогиб доски в первый момент, если человек внезапно присядет? Выпрямится?

Когда человек выпрямляется, он отталкивается от доски в противоположную сторону, т.е. действует на нее с некоторой силой => доска под действием дополнительной силы еще больше прогнется. А при приседании человек как бы начинает двигаться под действием доски, которая стремиться занять горизонтальное положение=> доска распрямится, т.к. человек совершит усилие для компенсации силы тяжести, с которой он действует на доску.

Одну и ту же порцию горючего сжигают в примусе на уровне моря и в Гималаях – на высоте около 8000 м. В каком случае выделится больше тепла?

Количество тепла будет выделено больше на уровне моря, т.к. процессы горения будут более интенсивными из-за более плотного воздуха на уровне моря, чем на высоте 8000 м, где разряженный воздух (опираются на содержание кислорода в воздухе, т.к. его содержание характеризует интенсивность горения). Доказательство- в вакууме процессы горения не происходят.

Билет 5.

Равномерное движение точки по окружности. Угловое перемещение, угловая скорость, период и частота обращения, их единицы. Связь между линейной и угловой скоростью. Уравнения равномерного движения по окружности. Нормальное ускорение.

Равномерное движение точки по окружности – движение точки по траектории представляющей собой окружность при котором скорость и ускорение не меняются по модулю, а изменяются лишь по направлению.

Угловое перемещение — векторная величина, характеризующая изменение угловой координаты в процессе её движения.

Угловая скорость— векторная величина, являющаяся псевдовектором и характеризующая скорость вращения материальной точки вокруг центра вращения. Вектор угловой скорости по величине равен углу поворота точки вокруг центра вращения в единицу времени:

 

Период— физическая величина, показывающая, чему равно время, за которое точка совершает один полный оборот. Единица измерения в СИ – секунда.

,

Где Т – период; N – число оборотов; t — время.

Частота – количество оборотов, которое совершила точка за единицу времени. Единица измерения в СИ – Гц (герц).

Где v – частота; t — время; N – число оборотов.

Если за 1 секунду точка совершает один полный оборот, то частота и период — взаимно обратные величины.

Связь угловой скорости с линейной:

Угловая скорость всегда перпендикулярна линейной.

Угловое ускорение — векторная величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости твердого тела

Уравнение равномерного движения по окружности:

Нормальное ускорение (центростремительное) определяется изменением скорости по направлению.

Тангенсальное ускорение (касательное) ускорение определяется изменением скорости по времени.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

poisk-ru.ru