Định luật Archimedes là một nguyên tắc vật lý phát biểu rằng một vật thể được ngâm hoàn toàn hoặc một phần trong chất lỏng ở trạng thái nghỉ sẽ bị tác dụng bởi một lực hướng thẳng đứng, lực này có độ lớn bằng trọng lượng của chất lỏng bị dịch chuyển bởi cơ thể này. Lực này được gọi là lực thủy tĩnh hoặc Archimedean. Giống như bất kỳ lực nào trong vật lý, nó được đo bằng niutơn.
Nhà khoa học Hy Lạp Archimedes
Archimedes lớn lên trong một gia đình gắn liền với khoa học, vì cha ông, Phidias, là một nhà thiên văn học vĩ đại cùng thời với ông. Ngay từ thời thơ ấu, Archimedes đã bắt đầu quan tâm đến các ngành khoa học. Anh học ở Alexandria, nơi anh kết bạn với Eratosthenes của Cyrene. Cùng với ông, Archimedes lần đầu tiên đo chu vi của quả địa cầu. Thông qua ảnh hưởng của Eratosthenes, Archimedes trẻ tuổi cũng phát triển niềm yêu thích với thiên văn học.
Sau khi trở về quê hương Syracuse, nhà khoa học dành một lượng lớn thời gian để nghiên cứu toán học, vật lý, hình học, cơ học, quang học và thiên văn học. Trong tất cả các lĩnh vực khoa học này, Archimedes đã thực hiện nhiều khám phá khác nhau, việc hiểu được về nó là điều khó khăn ngay cả đối vớingười được giáo dục hiện đại.
Archimedes khám phá ra định luật của mình
Theo thông tin lịch sử, Archimedes đã khám phá ra định luật của mình một cách thú vị. Vitruvius trong các tác phẩm của mình mô tả rằng bạo chúa Syracusan Hieron II đã hướng dẫn một trong những người thợ thủ công đúc một chiếc vương miện bằng vàng cho anh ta. Sau khi chiếc vương miện đã sẵn sàng, anh ta quyết định kiểm tra xem người chủ có lừa dối mình hay không, và nếu bạc rẻ hơn đã được thêm vào vàng, có mật độ thấp hơn vua của các kim loại. Anh ấy đã nhờ Archimedes giải quyết vấn đề này. Nhà khoa học không được phép xâm phạm tính toàn vẹn của vương miện.
Trong khi tắm, Archimedes nhận thấy mực nước trong đó đang dâng cao. Ông quyết định sử dụng hiệu ứng này để tính thể tích của chiếc vương miện, những hiểu biết về nó, cũng như khối lượng của chiếc vương miện, cho phép anh tính toán khối lượng riêng của vật thể. Khám phá này khiến Archimedes vô cùng ấn tượng. Vitruvius mô tả tình trạng của mình như sau: anh ta hoàn toàn khỏa thân chạy xuống đường, và hét lên "Eureka!", Được dịch từ tiếng Hy Lạp cổ là "Tôi đã tìm thấy nó!". Kết quả là mật độ của chiếc vương miện hóa ra ít hơn vàng nguyên chất, và chủ nhân đã bị xử tử.
Archimedes đã tạo ra một tác phẩm có tên "Trên các vật thể nổi", nơi lần đầu tiên ông mô tả chi tiết quy luật mà ông đã khám phá ra. Lưu ý rằng công thức của định luật Archimedes, do chính nhà khoa học này đưa ra, thực tế không thay đổi.
Thể tích của chất lỏng cân bằng với phần còn lại của chất lỏng
Ở trường vào năm lớp 7, các em bắt đầu học luật Archimedes. Để hiểu được ý nghĩa của định luật này, trước tiên chúng ta phải xem xét các lực tác động lênmột thể tích chất lỏng nhất định ở trạng thái cân bằng trong độ dày của phần còn lại của chất lỏng.
Lực tác dụng lên bề mặt bất kỳ của thể tích chất lỏng được coi là bằng pdS, trong đó p là áp suất, chỉ phụ thuộc vào độ sâu, dS là diện tích của bề mặt này.
Vì thể tích chất lỏng được chọn ở trạng thái cân bằng, nên có nghĩa là lực tạo thành tác dụng lên bề mặt của thể tích này, và kết hợp với áp suất, phải cân bằng với trọng lượng của thể tích chất lỏng này. Lực kết quả này được gọi là lực nổi. Điểm ứng dụng của nó là ở trọng tâm của khối chất lỏng này.
Vì áp suất trong chất lỏng được tính bằng công thức p=rogh, trong đó ro là khối lượng riêng của chất lỏng, g là gia tốc rơi tự do, h là độ sâu, cân bằng của vật đang xét. thể tích của chất lỏng được xác định theo phương trình: trọng lượng cơ thể=rogV, trong đó V là thể tích của phần chất lỏng được coi là.
Thay thế chất lỏng bằng chất rắn
Xem xét thêm định luật Archimedes trong vật lý lớp 7, chúng ta sẽ loại bỏ thể tích chất lỏng được coi là độ dày của nó và đặt một vật rắn có cùng thể tích và cùng hình dạng trong không gian trống.
Trong trường hợp này, lực nổi kết quả, chỉ phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lỏng và thể tích của nó, sẽ không thay đổi. Trọng lượng của cơ thể, cũng như trọng tâm của nó, nói chung sẽ thay đổi. Kết quả là ban đầu sẽ có hai lực tác dụng lên cơ thể:
- Lực đẩy rogV.
- Trọng lượng cơ thể mg.
Trong trường hợp đơn giản nhất, nếu vật thể đồng nhất, thì trọng tâm của nó trùng vớiđiểm tác dụng của lực đẩy.
Bản chất của định luật Archimedes và một ví dụ về giải pháp cho một cơ thể hoàn toàn chìm trong chất lỏng
Giả sử rằng một vật đồng chất khối lượng m được nhúng trong chất lỏng có khối lượng riêng là ro. Trong trường hợp này, phần thân có dạng hình bình hành với diện tích cơ sở là S và chiều cao h.
Theo định luật Archimedes, các lực sau sẽ tác động lên cơ thể:
- Lực rogxS, là do áp suất tác dụng lên bề mặt trên của cơ thể, trong đó x là khoảng cách từ bề mặt trên của cơ thể đến bề mặt chất lỏng. Lực này hướng thẳng đứng xuống dưới.
- Lực rog(h + x)S, liên quan đến áp suất tác dụng lên bề mặt đáy của hình bình hành. Nó được hướng thẳng đứng lên trên.
- Trọng lượng cơ thể mg tác dụng xuống theo phương thẳng đứng.
Áp suất mà chất lỏng tạo ra trên các bề mặt bên của vật thể ngâm có giá trị tuyệt đối bằng nhau và ngược hướng, do đó chúng cộng lại lực bằng không.
Trong trường hợp cân bằng, ta có: mg + rogxS=rog(h + x)S, hoặc mg=roghS.
Như vậy, bản chất của lực nổi hay còn gọi là lực Archimedes là sự chênh lệch về áp suất do chất lỏng tác dụng lên bề mặt trên và bề mặt dưới của một vật thể chìm trong nó.
Nhận xét về luật của Archimedes
Bản chất của lực nổi cho phép chúng ta rút ra một số kết luận từ định luật này. Đây là những kết luận và nhận xét quan trọng:
- Nếu khối lượng riêng của chất rắn lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng,mà nó được nhúng vào, khi đó lực Archimedean sẽ không đủ để đẩy cơ thể này ra khỏi chất lỏng, và cơ thể sẽ chìm xuống. Ngược lại, một vật thể sẽ chỉ nổi trên bề mặt chất lỏng khi khối lượng riêng của nó nhỏ hơn khối lượng riêng của chất lỏng này.
- Trong điều kiện không trọng lượng đối với các thể tích chất lỏng không thể tự tạo ra trường hấp dẫn cảm nhận được, không có gradient áp suất trong độ dày của các thể tích này. Trong trường hợp này, khái niệm về độ nổi không còn tồn tại và định luật Archimedes không thể áp dụng được.
- Tổng tất cả các lực thủy tĩnh tác dụng lên một vật thể có hình dạng tùy ý được ngâm trong chất lỏng có thể giảm thành một lực, lực này hướng thẳng đứng lên trên và tác dụng vào trọng tâm của vật thể đó. Do đó, trong thực tế không có một lực duy nhất nào tác dụng vào trọng tâm, cách biểu diễn như vậy chỉ là một sự đơn giản hóa toán học.
