Сила Архімеда-одна з фундаментальних сил, що діють в рідинах, перш за все, у воді. Відкритий грецьким вченим Архімедом в 3 столітті до нашої ери, цей принцип має величезне значення у фізиці і знаходить застосування в багатьох областях, від суднобудування до гідрології.
Принцип роботи сили Архімеда заснований на простій ідеї - "кожне тіло, повністю або частково занурене в рідину, відчуває виштовхує силу, рівну вазі витісненого обсягу цієї рідини". Інакше кажучи, якщо ми покладемо тіло (будь-які предмети, неважливо якого розміру) в воду або іншу рідину, воно буде відчувати силу, спрямовану вгору, яка буде протидіяти його власній вазі.
Основні принципи роботи сили Архімеда зводяться до кількох важливих пунктів. По-перше, величина цієї сили пропорційна щільності середовища, в якій знаходиться тіло. По-друге, сила Архімеда залежить від обсягу зануреної частини тіла. По-третє, сила Архімеда діє у вертикальному напрямку, вглиб рідини.
Як працює сила Архімеда у воді?
Щоб більш детально зрозуміти, як працює сила Архімеда у воді, розглянемо простий приклад. Уявіть собі порожню пляшку, яку ви занурюєте у воду. Коли пляшка занурюється, вона витісняє певний об'єм води. Цей об'єм води заповнюється порожнечею всередині пляшки, і створюється додатковий тиск з боку води.
Сила Архімеда, що діє на пляшку, спрямована вгору і дорівнює вазі витісненої води. Якщо вага витісненої води більше ваги пляшки, то вона почне спливати на поверхню води. В цьому випадку сила Архімеда буде перевищувати силу тяжіння пляшки, і вона буде підніматися. Якщо ж вага пляшки більше ваги витісненої води, то пляшка буде залишатися на дні.
Принцип Архімеда відіграє важливу роль у багатьох сферах, таких як суднобудування, будівництво підводних човнів, аеронавтика і навіть плавання. Завдяки цьому принципу можна пояснити, чому деякі предмети плавають, а інші залишаються на дні. Також сила Архімеда використовується в літальних апаратах для створення підйомної сили.
Основні принципи дії сили Архімеда
Основні принципи дії сили Архімеда:
1. Принцип плавучості:
Якщо щільність тіла менше щільності рідини, воно буде плавати на поверхні рідини. У цьому випадку сила Архімеда дорівнює вазі зануреної в рідину частини тіла. Якщо щільність тіла більше щільності рідини, воно буде тонути. Сила Архімеда в цьому випадку буде перевищувати вагу тіла і спрямована вгору, створюючи підйомну силу.
2. Положення тіла в рідині:
Сила Архімеда діє на всі частини тіла, занурені в рідину. В результаті цього тиск на різні частини тіла буде різним. Найбільший тиск буде найбільш зануреної частини тіла, а найменше - на менш занурені частини.
3. Залежність сили Архімеда від обсягу і щільності:
Сила Архімеда прямо пропорційна обсягу зануреної частини тіла і щільності рідини. Чим більше обсяг зануреної частини і чим більше щільність рідини, тим більше буде сила Архімеда.
Вищевказані принципи є основними і дозволяють зрозуміти, як діє сила Архімеда на занурені в рідину предмети. Вони пояснюють безліч явищ, пов'язаних з плаванням, зануренням і підйомом тіл у воді.
Роль плавучості в силі Архімеда
Плавучість - це здатність тіла зберігати рівновагу в рідині. Саме завдяки плавучості тіло може залишатися на поверхні рідини або занурюватися в неї на певну глибину.
Плавучість визначається відношенням щільності тіла до щільності рідини. Якщо щільність тіла менше щільності рідини, то тіло буде плавати на її поверхні і відчувати силу Архімеда, спрямовану вгору. Якщо щільність тіла більше щільності рідини, то тіло буде тонути і відчувати силу Архімеда, спрямовану вниз.
Таким чином, плавучість відіграє важливу роль у силі Архімеда. Вона визначає, чи буде тіло плавати на поверхні рідини або воно буде направлятися вниз, і впливає на величину сили Архімеда, що діє на тіло.
Закон Архімеда і його формулювання
Закон Архімеда формулюється наступним чином: "Тіло, занурене в рідину, відчуває з боку рідини виштовхуючу силу, рівну вазі витісненої цим тілом рідини".
Це означає, що при зануренні тіла в рідину виникає сила, спрямована вгору, рівна вазі рідини, яку витіснило занурене тіло. Сила Архімеда діє в напрямку, протилежному силі тяжіння, і її величина дорівнює вазі витісненої рідини.
| Сила Архімеда | Вага витісненої рідини |
|---|---|
| Сила спрямована вгору | Сила спрямована вниз |
| Величина дорівнює вазі витісненої рідини | Величина дорівнює вазі витісненої рідини |
Закон Архімеда пояснює такі явища, як плавання та занурення тіл у рідини. Наприклад, плавильний лід плавиться на поверхні води, оскільки сила Архімеда, що діє на лід, дорівнює його вазі, і він опиняється в рівновазі. Якщо тіло занурене в рідину, сила Архімеда може перевищувати його вагу, і воно починає спливати.
Принцип плавання повітряних і підводних суден
Для плавання повітряних і підводних суден застосовуються різні принципи, засновані на застосуванні закону Архімеда. Закон Архімеда говорить, що на будь-яке тіло, занурене в рідину або газ, діє підняття сили, Рівне вазі витісненої цим тілом рідини або газу.
Повітряні судна, такі як літаки і вертольоти, використовують принцип всесветотного аеродинамічного підйомника. Основні принципи роботи полягають у створенні аеродинамічної сили підйому, за рахунок руху повітря над поверхнею крила. Крило має особливу форму, звану профілем. Під час руху літака повітря проходить над і під крилом і створює різницю тиску над і під крилом. Цей тиск створює підйомну силу, що сприяє плаванню і підтримці в повітрі.
Підводні судна, такі як підводні човни та судна, використовують принцип плавання в рідині. В основі принципу лежить баластна система, що дозволяє змінювати вагу судна і, отже, його плавучість. Підводні судна мають спеціальні баки, в яких можна заповнювати або звільняти воду. Заповнивши баки водою, судно потопає під воду, а звільнивши воду з баків, судно спливає на поверхню.
Таким чином, закон Архімеда є основоположним принципом для плавання повітряних і підводних суден. Застосування цього принципу дозволяє досягти підйому і плавності цих суден, забезпечуючи необхідну підтримку в повітрі і воді.
Вплив щільності матеріалу на силу Архімеда
Щільність матеріалу визначається як відношення маси матеріалу до його об'єму. Чим щільніше матеріал, тим більше буде його маса при заданому обсязі. З цього випливає, що щільність матеріалу безпосередньо впливає на величину сили Архімеда.
Якщо матеріал має щільність менше щільності рідини або газу, в якому він знаходиться, то сила Архімеда буде перевищувати його вагу. В цьому випадку тіло буде спливати і нести з собою вагу витісненої рідини або газу.
Якщо ж матеріал має щільність більше щільності рідини або газу, то сила Архімеда буде менше ваги тіла. Тіло буде тонути в рідині або газі і втратить зайву масу.
Щільність матеріалу важлива не тільки для розуміння впливу сили Архімеда, але і для вирішення таких практичних завдань, як вибір матеріалу для плавучості або підводного будівництва. У цих випадках важливо підібрати матеріал з потрібною щільністю, щоб досягти бажаного ефекту.
Поняття занурення і спливання тіла у воді
Закон Архімеда також стверджує, що величина цієї сили залежить від щільності рідини та об'єму витісненої рідини. Тому тіло буде спливати легше в рідини з меншою щільністю і / або при більшому обсязі витісненої рідини.
Одним із прикладів занурення тіла у воду є плавання людини. Людське тіло щільніше води, тому вага тіла більше ваги витісненої рідини і людина занурюється. Але завдяки принципу Архімеда, повітряні порожнини всередині тіла, такі як легені, додають обсягу витісненої рідини, і вага цієї рідини стає більше ваги тіла. Це дозволяє людині плавати і відштовхуватися від води.
Коли ж людина випускає повітря з легенів, обсяг витісненої рідини стає менше, і вага рідини стає менше ваги тіла. В результаті людина починає занурюватися.
Приклади використання сили Архімеда в житті
Сила Архімеда, заснована на принципі плавучості тіла в рідині, має багато практичних застосувань у нашому повсякденному житті. Ось кілька прикладів використання цієї сили:
1. Підтримка плавучості кораблів і підводних човнів: Силу Архімеда використовують для підтримки плавучості великих морських суден і підводних човнів. Це дозволяє їм не тонути і утримуватися на поверхні води або занурюватися на певну глибину.
Наприклад, підводні човни використовують баластні баки, які можуть заповнюватися водою або виливатися для зміни плавучості і зміни глибини занурення.
2. Робота суднових шлюзів: Силу Архімеда застосовують при роботі шлюзів на внутрішніх водних шляхах або при проходженні суден через шлюзи. Вона нейтралізує вагу судна і допомагає переміщати його вгору і вниз по судновому каналу.
Наприклад, при заповненні шлюзу водою, сила Архімеда діє на корабель, протидіючи його вазі і дозволяючи шлюзам піднімати або опускати судно.
3. Дайвінг та Підводна робота: При занятті дайвінгом і підводними роботами, компенсація тиску і контроль плавучості грають важливу роль. Силу Архімеда використовують для утримання занурених об'єктів на потрібній глибині і полегшення занурення і спливання дайвера.
Наприклад, повітряні жилети, які використовуються дайверами, наповнюються повітрям, створюючи додаткову плавучість, яка допомагає контролювати занурення і спливання у воді.
4. Робота гідравлічних систем: Сила Архімеда застосовується в гідравлічних системах для посилення сили і полегшення роботи. Він використовується в різних сферах, включаючи будівництво, виробництво та транспортування.
Наприклад, гідравлічні підйомники або системи, що використовуються для підйому важких вантажів, використовують силу Архімеда, щоб зменшити навантаження і полегшити роботу механізму.
Це лише деякі приклади використання сили Архімеда в нашому житті. Завдяки цій силі, ми можемо успішно вирішувати різноманітні завдання і справлятися з викликами, пов'язаними з роботою і переміщенням в рідинах.