Ngắm hành trình bay của bóng bay và chuyển động của tàu trên mặt biển, nhiều người tự hỏi: điều gì khiến những phương tiện này bay lên trời hay giữ những phương tiện này ở trên mặt nước? Câu trả lời cho câu hỏi này là sức nổi. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn nó trong bài viết.
Chất lỏng và áp suất tĩnh trong chúng
Chất lỏng là hai trạng thái tổng hợp của vật chất: khí và lỏng. Tác động của bất kỳ lực tiếp tuyến nào lên chúng khiến một số lớp vật chất chuyển dịch so với các lớp khác, tức là vật chất bắt đầu chảy.
Chất lỏng và chất khí bao gồm các hạt cơ bản (phân tử, nguyên tử), không có vị trí xác định trong không gian, chẳng hạn như trong chất rắn. Chúng liên tục di chuyển theo các hướng khác nhau. Ở chất khí, chuyển động hỗn loạn này dữ dội hơn ở chất lỏng. Do thực tế đã ghi nhận, các chất lỏng có thể truyền áp suất tác dụng lên chúng như nhau theo mọi hướng (định luật Pascal).
Vì tất cả các hướng chuyển động trong không gian đều bằng nhau, nên tổng áp suất lên bất kỳthể tích bên trong chất lỏng bằng không.
Tình hình thay đổi hoàn toàn nếu chất được đề cập đến được đặt trong trường hấp dẫn, ví dụ, trong trường hấp dẫn của Trái đất. Trong trường hợp này, mỗi lớp chất lỏng hoặc chất khí có trọng lượng nhất định mà nó ép lên các lớp bên dưới. Áp suất này được gọi là áp suất tĩnh. Nó tăng tỷ lệ thuận với độ sâu h. Vì vậy, trong trường hợp chất lỏng có khối lượng riêng ρl, áp suất thủy tĩnh P được xác định theo công thức:
P=ρl gh.
Đây g=9,81 m / s2- gia tốc rơi tự do gần bề mặt hành tinh của chúng ta.
Áp suất thủy tĩnh đã được cảm nhận bởi mỗi người đã lặn sâu vài mét dưới nước ít nhất một lần.
Tiếp theo, hãy xem xét vấn đề nổi trên ví dụ về chất lỏng. Tuy nhiên, tất cả các kết luận sẽ được đưa ra cũng có giá trị đối với khí.
Áp suất thủy tĩnh và định luật Archimedes
Hãy thiết lập một thí nghiệm đơn giản sau đây. Hãy lấy một vật thể có dạng hình học thông thường, ví dụ, một hình lập phương. Cho độ dài cạnh của hình lập phương là a. Ta nhúng khối lập phương này vào nước sao cho mặt trên của nó có độ sâu h. Áp suất nước tác dụng lên hình khối là bao nhiêu?
Để trả lời câu hỏi trên, cần phải xem xét lượng áp suất thủy tĩnh tác dụng lên mỗi mặt của hình. Rõ ràng, tổng áp suất tác dụng lên tất cả các mặt bên sẽ bằng 0 (áp suất ở mặt bên trái sẽ được bù bằng áp suất ở mặt phải). Áp suất thủy tĩnh trên mặt trên sẽ là:
P1=ρl gh.
Áp lực này là giảm. Lực tương ứng của nó là:
F1=P1 S=ρl ghS.
Trong đó S là diện tích của một khuôn mặt hình vuông.
Lực kết hợp với áp suất thủy tĩnh tác dụng lên mặt đáy của khối lập phương sẽ bằng:
F2=ρl g(h + a)S.
Lực
F2hướng lên trên. Khi đó lực tạo thành cũng sẽ hướng lên trên. Ý nghĩa của nó là:
F=F2- F1=ρl g(h + a)S - ρl ghS=ρl gaS.
Lưu ý rằng tích của độ dài cạnh và diện tích mặt S của một khối lập phương là thể tích của nó. Điều này cho phép chúng ta viết lại công thức như sau:
F=ρl gV.
Công thức của lực nổi này nói rằng giá trị của F không phụ thuộc vào độ sâu ngâm của vật. Vì thể tích của vật V trùng với thể tích của chất lỏng Vlmà nó đã dời chỗ, nên ta có thể viết:
FA=ρl gVl.
Công thức lực nổi FAthường được gọi là biểu thức toán học của định luật Archimedes. Nó được thành lập lần đầu tiên bởi một nhà triết học Hy Lạp cổ đại vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên. Người ta thường xây dựng định luật Archimedes như sau: nếu một vật được ngâm trong một chất lỏng, thì một lực hướng lên theo phương thẳng đứng tác dụng lên nó, bằng trọng lượng của vật bị dịch chuyển bởi cơ thể.vật liệu xây dựng. Lực nổi còn được gọi là lực Archimedes hoặc lực nâng.
Lực tác động lên vật rắn chìm trong chất lỏng
Điều quan trọng là phải biết những lực này để trả lời câu hỏi liệu cơ thể sẽ nổi hay chìm. Nói chung, chỉ có hai trong số họ:
- trọng lực hoặc trọng lượng cơ thể Fg;
- lực nổi FA.
Nếu Fg>FA, thì an tâm mà nói thân chìm xuống. Ngược lại, nếu Fg<FAthì cơ thể sẽ dính vào bề mặt của chất. Để làm chìm nó, bạn cần tác dụng một ngoại lực FA-Fg.
Thay các công thức của các lực đã đặt tên vào các bất đẳng thức đã chỉ ra, người ta có thể thu được một điều kiện toán học cho sự trôi nổi của các vật thể. Nó trông như thế này:
ρs<ρl.
Ở đây ρslà mật độ trung bình của cơ thể.
Có thể dễ dàng chứng minh tác dụng của điều kiện trên trong thực tế. Chỉ cần lấy hai khối kim loại, một khối đặc và một khối rỗng là đủ. Nếu bạn ném chúng xuống nước, chiếc đầu tiên sẽ chìm và chiếc thứ hai sẽ nổi trên mặt nước.
Sử dụng độ nổi trong thực tế
Tất cả các phương tiện di chuyển trên hoặc dưới nước đều sử dụng nguyên tắc Archimedes. Vì vậy, sự dịch chuyển của tàu được tính toán dựa trên kiến thức về lực nổi tối đa. Thay đổi tàu ngầmmật độ trung bình của chúng với sự trợ giúp của các khoang dằn đặc biệt, có thể nổi hoặc chìm.
Một ví dụ sinh động về sự thay đổi mật độ trung bình của cơ thể là việc một người sử dụng áo phao. Chúng làm tăng đáng kể khối lượng tổng thể và đồng thời thực tế không làm thay đổi trọng lượng của một người.
Sự bay lên của một quả bóng bay hoặc bóng bay em bé chứa đầy khí heli trên bầu trời là một ví dụ điển hình về lực nổi của Archimedean. Sự xuất hiện của nó là do sự khác biệt giữa mật độ của không khí nóng hoặc khí đốt và không khí lạnh.
Bài toán tính lực Archimedean trong nước
Quả bóng rỗng hoàn toàn chìm trong nước. Bán kính của quả bóng là 10 cm. Cần phải tính lực nổi của nước.
Để giải quyết vấn đề này, bạn không cần biết quả bóng được làm bằng chất liệu gì. Nó chỉ cần thiết để tìm khối lượng của nó. Giá trị thứ hai được tính theo công thức:
V=4/3pir3.
Khi đó biểu thức xác định lực Archimedean của nước sẽ được viết là:
FA=4/3pir3 ρl g.
Thay bán kính của quả bóng và khối lượng riêng của nước (1000 kg / m3), ta được lực nổi là 41,1 N.
Bài toán so sánh lực lượng Archimedean
Có hai cơ thể. Thể tích của cái thứ nhất là 200 cm3, và cái thứ hai là 170 cm3. Cơ thể thứ nhất được ngâm trong rượu etylic nguyên chất, và vật thể thứ hai được ngâm trong nước. Cần phải xác định xem lực nổi tác dụng lên các vật thể này có giống nhau hay không.
Lực Archimedean tương ứng phụ thuộc vào thể tích của vật thể và khối lượng riêng của chất lỏng. Đối với nước, khối lượng riêng là 1000 kg / m3, đối với rượu etylic là 789 kg / m3. Tính lực nổi trong mỗi chất lỏng bằng cách sử dụng các dữ liệu sau:
đối với nước: FA=100017010-6 9, 81 ≈ 1, 67 N;
đối với rượu: FA=78920010-6 9, 81 ≈ 1, 55 N.
Như vậy, trong nước, lực Archimedean lớn hơn 0,12 N trong rượu.
