Melihat penerbangan belon dan pergerakan kapal di permukaan laut, ramai orang tertanya-tanya: apakah yang menyebabkan kenderaan ini naik ke langit atau mengekalkan kenderaan ini di permukaan air? Jawapan kepada soalan ini adalah keapungan. Mari lihat lebih dekat dalam artikel.
cecair dan tekanan statik di dalamnya
Bendalir ialah dua keadaan agregat jirim: gas dan cecair. Kesan sebarang daya tangen padanya menyebabkan beberapa lapisan jirim beralih berbanding yang lain, iaitu jirim mula mengalir.
Cecair dan gas terdiri daripada zarah asas (molekul, atom), yang tidak mempunyai kedudukan yang pasti dalam ruang, seperti, sebagai contoh, dalam pepejal. Mereka sentiasa bergerak ke arah yang berbeza. Dalam gas, pergerakan huru-hara ini lebih sengit daripada dalam cecair. Disebabkan fakta yang dinyatakan, bahan bendalir boleh menghantar tekanan yang dikenakan ke atasnya secara sama rata ke semua arah (hukum Pascal).
Memandangkan semua arah pergerakan di angkasa adalah sama, jumlah tekanan pada mana-mana asasisipadu di dalam bendalir ialah sifar.
Situasi berubah secara radikal jika bahan berkenaan diletakkan dalam medan graviti, contohnya, dalam medan graviti Bumi. Dalam kes ini, setiap lapisan cecair atau gas mempunyai berat tertentu yang mana ia menekan pada lapisan asas. Tekanan ini dipanggil tekanan statik. Ia meningkat secara berkadar langsung dengan kedalaman h. Jadi, dalam kes cecair dengan ketumpatan ρl, tekanan hidrostatik P ditentukan oleh formula:
P=ρlgh.
Di sini g=9.81 m/s2- pecutan jatuh bebas berhampiran permukaan planet kita.
Tekanan hidrostatik telah dirasai oleh setiap orang yang telah menyelam beberapa meter di bawah air sekurang-kurangnya sekali.
Seterusnya, pertimbangkan isu keapungan pada contoh cecair. Namun begitu, semua kesimpulan yang akan diberikan juga sah untuk gas.
Tekanan hidrostatik dan hukum Archimedes
Mari sediakan percubaan mudah berikut. Mari kita ambil badan bentuk geometri biasa, sebagai contoh, kubus. Biarkan panjang sisi kubus itu ialah a. Mari kita rendam kiub ini ke dalam air supaya muka atasnya berada pada kedalaman h. Berapakah tekanan yang dikenakan air pada kubus?
Untuk menjawab soalan di atas, adalah perlu untuk mengambil kira jumlah tekanan hidrostatik yang bertindak pada setiap muka rajah. Jelas sekali, jumlah tekanan yang bertindak pada semua muka sisi akan sama dengan sifar (tekanan di sebelah kiri akan dikompensasikan oleh tekanan di sebelah kanan). Tekanan hidrostatik pada muka atas ialah:
P1=ρlgh.
Tekanan ini menurun. Daya yang sepadan ialah:
F1=P1S=ρlghS.
Di mana S ialah luas muka persegi.
Daya yang dikaitkan dengan tekanan hidrostatik, yang bertindak pada muka bawah kubus, akan sama dengan:
F2=ρlg(h+a)S.
F2daya diarahkan ke atas. Kemudian daya yang terhasil juga akan diarahkan ke atas. Maksudnya ialah:
F=F2- F1=ρlg(h+a)S - ρlghS=ρlgaS.
Perhatikan bahawa hasil darab panjang tepi dan luas muka S kubus ialah isipadunya V. Fakta ini membolehkan kita menulis semula formula seperti berikut:
F=ρlgV.
Formula daya keapungan ini mengatakan bahawa nilai F tidak bergantung pada kedalaman rendaman badan. Memandangkan isipadu badan V bertepatan dengan isipadu cecair Vl, yang disesarkannya, kita boleh menulis:
FA=ρlgVl.
Formula daya apungan FA biasanya dipanggil ungkapan matematik hukum Archimedes. Ia pertama kali ditubuhkan oleh ahli falsafah Yunani kuno pada abad ke-3 SM. Adalah menjadi kebiasaan untuk merumuskan hukum Archimedes seperti berikut: jika jasad direndam dalam bahan bendalir, maka daya menegak ke atas bertindak ke atasnya, yang sama dengan berat objek yang disesarkan oleh jasad itu.bahan-bahan. Daya apungan juga dipanggil daya Archimedes atau daya angkat.
Daya yang bertindak ke atas jasad pepejal yang direndam dalam bahan cecair
Adalah penting untuk mengetahui daya ini untuk menjawab soalan sama ada mayat akan terapung atau tenggelam. Secara umum, hanya terdapat dua daripadanya:
- graviti atau berat badan Fg;
- daya apungan FA.
Jika Fg>FA, maka boleh dikatakan badan akan tenggelam. Sebaliknya, jika Fg<FA, maka badan akan melekat pada permukaan bahan. Untuk menenggelamkannya, anda perlu menggunakan daya luaran FA-Fg.
Menggantikan formula untuk daya yang dinamakan ke dalam ketaksamaan yang ditunjukkan, seseorang boleh mendapatkan keadaan matematik untuk terapung jasad. Ia kelihatan seperti ini:
ρs<ρl.
Di sini ρs ialah ketumpatan purata badan.
Adalah mudah untuk menunjukkan kesan keadaan di atas dalam amalan. Ia cukup untuk mengambil dua kiub logam, satu daripadanya pepejal dan satu lagi berongga. Jika anda membuangnya ke dalam air, yang pertama akan tenggelam, dan yang kedua akan terapung di permukaan air.
Menggunakan daya apungan dalam amalan
Semua kenderaan yang bergerak di atas atau di bawah air menggunakan prinsip Archimedes. Jadi, anjakan kapal dikira berdasarkan pengetahuan daya daya apungan maksimum. Kapal selam berubahketumpatan puratanya dengan bantuan ruang balast khas, boleh terapung atau tenggelam.
Contoh nyata perubahan dalam ketumpatan purata badan ialah penggunaan jaket keselamatan oleh seseorang. Mereka meningkatkan volum keseluruhan dengan ketara dan pada masa yang sama praktikalnya tidak mengubah berat seseorang.
Kemunculan belon atau belon bayi berisi helium di langit adalah contoh utama pasukan Archimedean yang bertenaga. Penampilannya disebabkan oleh perbezaan antara ketumpatan udara panas atau gas dan udara sejuk.
Masalah mengira daya Archimedean dalam air
Bola berongga itu tenggelam sepenuhnya di dalam air. Jejari bola ialah 10 cm. Ia perlu mengira daya apungan air.
Untuk menyelesaikan masalah ini, anda tidak perlu tahu bola itu diperbuat daripada bahan apa. Ia hanya perlu untuk mencari jumlahnya. Yang terakhir dikira dengan formula:
V=4/3pir3.
Kemudian ungkapan untuk menentukan daya air Archimedean akan ditulis sebagai:
FA=4/3pir3ρlg.
Menggantikan jejari bola dan ketumpatan air (1000 kg/m3), kita dapati bahawa daya daya apungan ialah 41.1 N.
Masalah untuk membandingkan pasukan Archimedean
Ada dua mayat. Isipadu yang pertama ialah 200 cm3, dan yang kedua ialah 170 cm3. Badan pertama direndam dalam etil alkohol tulen, dan yang kedua di dalam air. Adalah perlu untuk menentukan sama ada daya apungan yang bertindak pada badan ini adalah sama.
Daya Archimedean yang sepadan bergantung pada isipadu badan dan pada ketumpatan cecair. Untuk air, ketumpatan ialah 1000 kg/m3, untuk etil alkohol ialah 789 kg/m3. Kira daya keapungan dalam setiap bendalir menggunakan data ini:
untuk air: FA=100017010-69, 81 ≈ 1, 67 N;
untuk alkohol: FA=78920010-69, 81 ≈ 1, 55 N.
Oleh itu, dalam air, daya Archimedean adalah 0.12 N lebih besar daripada alkohol.
