Legea lui Arhimede: definiție și formulă. Forța de flotabilitate

Motivul apariției forței arhimedeene este diferența de presiune a mediului la diferite adâncimi. Prin urmare, forța lui Arhimede apare numai în prezența gravitației. Pe Lună va fi de șase ori, iar pe Marte va fi de 2,5 ori mai puțin decât pe Pământ.

În imponderabilitate nu există forță arhimediană. Dacă ne imaginăm că forța gravitației de pe Pământ a dispărut brusc, atunci toate navele din mări, oceane și râuri vor ajunge la orice adâncime la cea mai mică împingere. Dar tensiunea superficială a apei, independentă de gravitație, nu le va permite să se ridice în sus, așa că nu vor putea decola, se vor îneca cu toții.

Cum se manifestă puterea lui Arhimede?

Mărimea forței arhimedice depinde de volumul corpului scufundat și de densitatea mediului în care se află. Sensul său exact în termeni moderni: scufundat în lichid sau mediu gazos un corp într-un câmp gravitațional suferă o forță de flotabilitate exact egală cu greutatea mediului deplasat de corp, adică F = ρgV, unde F este forța lui Arhimede; ρ – densitatea mediului; g – accelerația în cădere liberă; V este volumul de lichid (gaz) deplasat de corp sau de o parte a acestuia imersată.

Dacă în apă dulce există o forță de flotabilitate de 1 kg (9,81 N) pentru fiecare litru de volum al unui corp scufundat, atunci în apa de mare, a cărei densitate este de 1,025 kg*pud. dm, forța Arhimede de 1 kg 25 g va acționa asupra aceluiași litru de volum. Pentru o persoană de complexitate medie, diferența de forță de susținere a apei mari și a apei dulce va fi de aproape 1,9 kg. Prin urmare, înotul în mare este mai ușor: imaginați-vă că trebuie să înotați peste cel puțin un iaz fără curent cu o gantere de două kilograme în centură.

Forța arhimediană nu depinde de forma corpului scufundat. Luați un cilindru de fier și măsurați-i forța din apă. Apoi întindeți acest cilindru într-o foaie, scufundați-l plat și cu margini în apă. În toate cele trei cazuri, puterea lui Arhimede va fi aceeași.

Poate părea ciudat la prima vedere, dar dacă o foaie este scufundată plat, scăderea diferenței de presiune pentru o foaie subțire este compensată de o creștere a ariei acesteia perpendiculară pe suprafața apei. Și atunci când este scufundat cu o margine, dimpotrivă, zona mică a marginii este compensată de înălțimea mai mare a foii.

Dacă apa este foarte saturată de săruri, ceea ce face ca densitatea acesteia să devină mai mare decât densitatea corpului uman, atunci nici o persoană care nu poate înota nu se va îneca în ea. La Marea Moartă din Israel, de exemplu, turiștii pot sta întinși pe apă ore întregi fără să se miște. Adevărat, este încă imposibil să mergi pe ea - zona de sprijin este mică, persoana cade în apă până la gât, până când greutatea părții scufundate a corpului este egală cu greutatea apei deplasată de el. Cu toate acestea, dacă aveți o anumită cantitate de imaginație, puteți crea o legendă despre mersul pe apă. Dar în kerosen, a cărui densitate este de numai 0,815 kg*cubic. dm, nici un înotător foarte experimentat nu va putea rămâne la suprafață.

Forța arhimediană în dinamică

Toată lumea știe că navele plutesc datorită puterii lui Arhimede. Însă pescarii știu că forța arhimediană poate fi folosită și în dinamică. Dacă dați peste un pește mare și puternic (taimen, de exemplu), atunci nu are rost să-l trageți încet la plasă (pescuiți pentru el): va rupe linia și va pleca. Trebuie să trageți ușor mai întâi când dispare. Simțind cârligul, peștele, încercând să se elibereze de el, se repezi spre pescar. Apoi trebuie să trageți foarte tare și puternic, astfel încât firul de pescuit să nu aibă timp să se rupă.

În apă, corpul unui pește nu cântărește aproape nimic, dar masa și inerția lui sunt păstrate. Cu această metodă de pescuit, forța arhimedeană va părea că lovește peștele în coadă, iar prada însăși se va cădea la picioarele pescarului sau în barca lui.

Puterea lui Arhimede în aer

Forța lui Arhimede acționează nu numai în lichide, ci și în gaze. Datorită acesteia, zboară baloanele cu aer cald și aeronavele (zeppelini). 1 cu. m de aer în condiții normale (20 grade Celsius la nivelul mării) cântărește 1,29 kg, iar 1 kg de heliu cântărește 0,21 kg. Adică, 1 metru cub dintr-o carcasă umplută este capabil să ridice o sarcină de 1,08 kg. Dacă carcasa are un diametru de 10 m, atunci volumul său va fi de 523 de metri cubi. m. Făcând-o din material sintetic ușor, obținem o forță de ridicare de aproximativ jumătate de tonă. Aeronauții numesc forța lui Arhimede în forța de fuziune a aerului.

Dacă pompați aerul din balon fără a-l lăsa să se micșoreze, atunci fiecare metru cub al acestuia va trage în sus întregul 1,29 kg. O creștere cu peste 20% a liftului este foarte tentantă din punct de vedere tehnic, dar heliul este scump, iar hidrogenul este exploziv. Prin urmare, din când în când apar proiecte de dirijabile cu vid. Dar materialele care pot rezista la presiunea atmosferică ridicată (aproximativ 1 kg pe cm2) din exterior pe carcasă, tehnologie modernăîncă nu pot crea.

Una dintre primele legi fizice studiate de elevi liceu. Orice adult își amintește cel puțin aproximativ această lege, indiferent cât de departe ar fi de fizică. Dar uneori este util să te întorci la definiții preciseși formularea – și înțelegeți detaliile acestei legi care s-ar putea să fi fost uitate.

Ce spune legea lui Arhimede?

Există o legendă că omul de știință grec antic și-a descoperit celebra lege în timp ce făcea baie. După ce s-a scufundat într-un recipient umplut până la refuz cu apă, Arhimede a observat că apa s-a stropit - și a experimentat o epifanie, formulând instantaneu esența descoperirii.

Cel mai probabil, în realitate situația a fost diferită, iar descoperirea a fost precedată de observații îndelungate. Dar acest lucru nu este atât de important, pentru că, în orice caz, Arhimede a reușit să descopere următorul model:

• plonjând în orice lichid, corpurile și obiectele experimentează mai multe forțe multidirecționale simultan, dar direcționate perpendicular pe suprafața lor;
• vectorul final al acestor forțe este îndreptat în sus, astfel încât orice obiect sau corp, aflându-se într-un lichid în repaus, experimentează o împingere;
• în acest caz, forța de flotabilitate este exact egală cu coeficientul care se obține dacă produsul dintre volumul obiectului și densitatea lichidului este înmulțit cu accelerația căderii libere.

Deci, Arhimede a stabilit că un corp scufundat într-un lichid înlocuiește un volum de lichid care este egal cu volumul corpului însuși. Dacă doar o parte a unui corp este scufundată într-un lichid, atunci acesta va deplasa lichidul, al cărui volum va fi egal cu volumul doar al părții care este scufundată.

Același principiu se aplică gazelor - doar aici volumul corpului trebuie corelat cu densitatea gazului.

Puteți formula o lege fizică puțin mai simplu - forța care împinge un obiect dintr-un lichid sau gaz este exact egală cu greutatea lichidului sau a gazului deplasat de acest obiect în timpul imersiei.

Legea se scrie sub forma următoarei formule:

Care este semnificația legii lui Arhimede?

Modelul descoperit de savantul grec antic este simplu și complet evident. Dar în același timp semnificația sa pentru viata de zi cu zi nu poate fi exagerat.

Datorită cunoștințelor despre împingerea corpurilor de către lichide și gaze, putem construi râul și nave maritime, precum și dirijabile și baloane pentru aeronautică. Navele din metale grele nu se scufundă datorită faptului că proiectarea lor ține cont de legea lui Arhimede și de numeroasele consecințe ale acesteia - sunt construite astfel încât să poată pluti la suprafața apei și să nu se scufunde. Aeronautica funcționează pe un principiu similar - folosesc flotabilitatea aerului, devenind, parcă, mai ușoare în timpul zborului.

469. De ce o navă de metal plutește în apă, dar un cui de metal se scufundă?
Greutatea apei deplasată de partea subacvatică a navei este egală cu greutatea navei în aer sau cu forța gravitațională care acționează asupra navei.

470. Cum se schimbă poziția liniei de plutire a navei când este încărcată?
Linia de plutire se va apropia de apă pe măsură ce greutatea vasului crește.

471. Cum se va schimba pescajul navei la trecerea de la un râu la mare?
Linia de plutire se va ridica deasupra suprafeței apei din cauza densității apa de mare mai mare decât proaspăt.

472. S-au turnat în balon mercur, apă și kerosen. Cum vor fi aranjate aceste lichide în sticlă?
Pe măsură ce densitățile scad: mercur-apă-kerosen.

473. O mașină de spălat de fier a fost aruncată într-un borcan cu mercur. Pucul se va scufunda sau va pluti pe mercur?
Nu se va scufunda, pentru că... Densitatea fierului este mai mică decât densitatea mercurului.

474. Figura 64 prezintă un bloc de lemn plutind în două lichide diferite. În ce caz lichidul este mai dens? Forța gravitației care acționează asupra blocului este aceeași? În care caz este forța arhimediană mai mare?

Densitatea lichidului b) este mai mare, deoarece forța lui Arhimede care acționează asupra corpului este mai mare.

475. Un flotor cu o greutate de plumb la fund este coborât mai întâi în apă, apoi în ulei. În ambele cazuri, plutitorul plutește. În ce lichid se scufundă mai adânc?
Plutitorul se va scufunda mai adânc în ulei deoarece densitatea sa este mai mică decât cea a apei.

476. Desenați forțele care acționează asupra unui corp atunci când acesta plutește pe suprafața unui lichid (Fig. 65).

477. Ce forţe acţionează asupra unui corp când pluteşte la suprafaţa unui lichid (Fig. 66)? Arată-le cu săgeți la scară.

478. Desenați cu săgeți forțele care acționează asupra corpului când acesta se scufundă (Fig. 67).

479. Un sul de plumb era atârnat pe o parte a grinzii de echilibru, iar pe cealaltă o bucată de sticlă de masă egală. Se va menține echilibrul dacă atât plumbul, cât și sticla sunt complet scufundate în apă? Dacă nu, care umăr va trage?
Echilibrul nu va fi menținut. Un umăr cu un corp de volum mai mic, de ex. se va potrivi cu plumb, pentru că forţa lui Arhimede care acţionează asupra lui va fi mai mică.

480. Două greutăți identice de alamă de câte 2 g fiecare au fost atârnate de jugul cântarului pe ambele părți și o greutate a fost coborâtă în apă și cealaltă în alcool. Ce greutate va trage?
O greutate coborâtă într-un lichid cu o densitate mai mică (adică alcool) va trage.

481. Lângă cântarul electronic s-au pus un borcan cu apă și un bloc de lemn. Se va schimba citirea de pe cantar daca blocul este pus intr-un borcan cu apa unde pluteste?
Citirile scalei vor scădea deoarece asupra blocului va acţiona forţa lui Arhimede.

482. Datorită căruia legea fizică Pot peștii să se ridice și să cadă în apă strângându-și vezica natatoare?
Datorită legii lui Arhimede.

483. Plăci grele de plumb sunt așezate pe pieptul și spatele scafandrului, iar tălpile încălțămintei sunt tot din plumb. De ce se face asta?
Astfel încât greutatea scafandrului este mai mare decât forța lui Arhimede care acționează asupra lui.

484. O cutie metalica goala, bine inchisa, cufundata aproape complet in apa, in apa rece plutește, dar dacă apa este încălzită, se scufundă. Ce explică acest fenomen interesant?
Densitatea apei încălzite scade și, prin urmare, forța lui Arhimede care acționează asupra borcanului scade.

485. O minge de marmură cu un volum de 20 cm3 a fost aruncată în râu. Cu ce ​​forță este împins afară din apă?

486. Cu ce ​​forță este împinsă afară de kerosen o bucată de sticlă cu un volum de 10 cm3?

487. Care este volumul unui corp scufundat dacă este împins de apă cu o forță de 50 N?

488. Ce volum de apă deplasează o navă dacă asupra ei acţionează o forţă de flotabilitate de 200.000 kN?

489. Cu ce ​​forță va fi împinsă o persoană din apa mării dacă o forță de flotabilitate egală cu 686 N acţionează asupra sa în apă dulce?

490. Să se determine greutatea a 1 cm3 de cupru în apă dulce.

491. Care este greutatea fierului cu un volum de 1 cm3 în apă curată?

492. Stabiliți cât cântărește în apă un cub de sticlă cu volumul de 1 cm3.

493. Se ține sub apă o minge metalică goală cu o greutate de 3 N (în aer) și un volum de 1200 cm3. Va rămâne mingea sub apă dacă este eliberată? Câtă forță este necesară pentru a-l ține sub apă?

494. O bucată de granit cu un volum de 5,5 dm3 și o masă de 15 kg este cufundată complet într-un iaz. Câtă forță trebuie aplicată pentru a-l menține în apă?

495. Un bloc de marmură cu un volum de 1 m3 se află pe fundul râului. Câtă forță trebuie aplicată pentru a-l ridica în apă? Care este greutatea lui în aer?

496. Care este greutatea în apa de râu a unei plăci de marmură a cărei greutate în aer este de 260 N?

497. Ce tensiune experimentează cablul la ridicarea unei plăci de granit cu un volum de 2 m3 de pe fundul lacului?

498. Se coboară într-un puț o găleată de fier cu o masă de 1,56 kg și un volum de 12 litri. Câtă forță trebuie aplicată pentru a ridica o găleată plină în apă? Peste apă? Ignora frecarea.

499. Care este densitatea unui obiect dacă greutatea lui în aer este de 100 N, iar în apă dulce de 60 N?

500. Un dop de sticlă cântărește 0,5 N în aer, 0,32 N în apă și 0,35 N în alcool. Care este densitatea alcoolului?

501. Greutatea unei figurine de marmură în aer este de 0,686 N, iar în apă dulce de 0,372 N. Determinați densitatea figurinei.

502. O greutate de 100 g cântărește 0,588 N în apă dulce și 0,666 N într-un lichid necunoscut Care este densitatea lichidului necunoscut? Ce fel de lichid este acesta?

503. Aflați densitatea alcoolului dacă o bucată de sticlă cântărește 0,25 N în alcool, 0,36 N în aer și 0,22 N în apă.

504. O placă de sticlă a devenit cu 49 mN mai ușoară când a fost scufundată în apă curată și cu 39 mN mai ușoară când a fost scufundată în kerosen. Care este densitatea kerosenului?

505. O plută cu o suprafață de 600 m2 se așează la 30 cm după încărcare. Aflați masa încărcăturii plasate pe plută.

506. Un camion a mers pe un feribot de 5 m lungime și 4 m lățime, în urma căruia bacul a plonjat 5 cm în apă. Care este masa camionului?

507. Aflați masa de apă deplasată de o navă cu o deplasare de 50.000 de tone.
Masa apei este egală cu deplasarea, adică. 50.000 t.

508. Un feribot dreptunghiular de 10 m lungime și 4 m lățime este încărcat cu o sarcină de 75 cm Aflați masa încărcăturii.

509. Masa unui rezervor amfibie este de aproximativ 2 tone Care ar trebui să fie volumul părții rezervorului scufundat în apă, astfel încât rezervorul să poată pluti în apă?

510. Un bloc de plută, a cărui densitate este de 25 g/cm3, plutește în apă dulce. Ce parte a blocului este scufundată în apă?

511. Un buștean plutește de-a lungul râului. Ce parte din el este scufundată în apă dacă densitatea lemnului este de 0,5 g/cm3?

512. Ce este mai mare: partea subacvatică sau de suprafață a bancului de gheață, dacă densitatea gheții este de 0,9 g/cm3?

513. Adâncimea bălții este de 2 cm Va pluti în această apă un cub de pin a cărui latură este de 7 cm? Va pluti în această băltoacă o placă cu o masă egală cu un cub și 2 cm grosime?

514. Ce masă de încărcătură va ține un colac de salvare din plută cu o greutate de 12 kg în apa râului?

515. De ce un copil care cântărește 30 kg plutește liber pe apă în mâneci gonflabile, al căror volum este de numai 1,5 dm3?

516. Un pelet rotund de fier de 11,7 g este conectat la un cub de spumă de 1,2 g Întregul sistem este scufundat complet în apă. Greutatea totală în apă este de 6,4 10-2 N. Care este densitatea spumei?

517. O bucată de ceară cântărește 882 mN în aer. Au acoperit mingea cu ceară și au scufundat-o în apă. Greutatea întregului sistem în apă este de 98 mN. Determinați densitatea cerii dacă greutatea mingii în apă este de 196 mN.

518. O mașină de spălat a fost atașată la o bucată de lumânare cu parafină cântărind 4,9 g, care cântărește 98 nM în apă. Greutatea totală și densitatea sistemului scufundat în apă este de 78,4 mN. Găsiți densitatea parafinei.

519. Cu ce ​​forţă de plutire acţionează aerul asupra unui corp cu un volum de 1 m3 la 0°C şi presiunea atmosferică normală?

523. În 1933 a fost construită dirijabilul V-3, având un volum de 6800 mc. Care este forța de ridicare a acestei aeronave dacă a fost umplută cu hidrogen?

524. Unul dintre primii proiectanți ai unui balon controlat, Santos Dumont, a construit un balon cu un volum de 113 m3 și o masă de 27,5 kg cu toate echipamentele. Mingea a fost umplută cu hidrogen. Ar putea Santos Dumont să se ridice pe o astfel de minge dacă masa lui ar fi de 52 kg?

525. Poate un balon umplut cu hidrogen cu un volum de 1500 m3 să ridice trei pasageri care cântăresc 60 kg fiecare, dacă învelișul balonului și gondola au împreună o masă de 250 kg?

526. În 1931, profesorul Picard s-a ridicat la o înălțime de 16 km într-un balon special construit. La această altitudine barometrul arăta o presiune de 76 mm. Hg Artă. Gondola cu balon, unde se afla Picard, era din duraluminiu și închisă etanș. Presiunea din interiorul gondolei a rămas tot timpul egală cu 1 atmosferă (1 atm = 760 mmHg = 1013 hPa.) Calculați presiunea pe 1 cm2 din peretele gondolei din interior și din exterior.

Textul lucrării este postat fără imagini și formule.
Versiune completă munca este disponibilă în fila „Fișiere de lucru” în format PDF

Introducere

Relevanţă: Dacă aruncați o privire atentă asupra lumii din jurul vostru, puteți descoperi multe evenimente care se petrec în jurul vostru. Din cele mai vechi timpuri, omul a fost înconjurat de apă. Când înotăm în el, corpul nostru împinge unele forțe la suprafață. Mi-am pus de multă vreme întrebarea: „De ce plutesc sau se scufundă corpurile? Apa împinge obiectele afară?”

Mele munca de cercetare are ca scop aprofundarea cunoștințelor acumulate în lecția despre forța arhimediană. Răspunde la întrebările care mă interesează, folosind experiența de viață, observațiile realității înconjurătoare, conduc propriile experimente și explică rezultatele acestora, ceea ce îmi va extinde cunoștințele pe această temă. Toate științele sunt interconectate. O obiect comun studierea tuturor științelor este omul „plus” natura. Sunt sigur că studiul acțiunii forței arhimediene este actual astăzi.

Ipoteză: Presupun că acasă puteți calcula magnitudinea forței de flotabilitate care acționează asupra unui corp scufundat într-un lichid și puteți determina dacă aceasta depinde de proprietățile lichidului, volumul și forma corpului.

Obiectul de studiu: Forța de flotabilitate în lichide.

Sarcini:

Studiază istoria descoperirii forței arhimedeene;

Studierea literaturii educaționale despre acțiunea forței arhimedeene;

Dezvoltați abilitățile în efectuarea de experimente independente;

Demonstrați că valoarea forței de plutire depinde de densitatea lichidului.

Metode de cercetare:

Cercetare;

Calculat;

Căutare de informații;

Observatii

1. Descoperirea puterii lui Arhimede

Există legenda faimoasa despre cum Arhimede a alergat pe stradă și a strigat „Eureka!” Aceasta spune doar povestea descoperirii sale că forța de plutire a apei este egală ca mărime cu greutatea apei deplasată de ea, al cărei volum este egal cu volumul corpului scufundat în ea. Această descoperire se numește legea lui Arhimede.

În secolul al III-lea î.Hr., acolo locuia Hiero, regele vechiului oraș grecesc Siracuza, și dorea să-și facă o nouă coroană din aur pur. L-am măsurat exact la nevoie și am dat comanda bijutierului. O lună mai târziu, maestrul a returnat aurul sub formă de coroană și cântărea cât masa aurului dat. Dar se poate întâmpla orice și stăpânul ar fi putut înșela adăugând argint sau, chiar mai rău, cupru, pentru că nu poți face diferența cu ochii, dar masa este ceea ce ar trebui să fie. Și regele vrea să știe: lucrarea a fost făcută cinstit? Și apoi, l-a rugat pe omul de știință Arhimede să verifice dacă maestrul și-a făcut coroana din aur pur. După cum se știe, masa unui corp este egală cu produsul dintre densitatea substanței din care este făcut corpul și volumul său: . Dacă corpuri diferite au aceeași masă, dar sunt formate din substanțe diferite, atunci vor avea volume diferite. Dacă maestrul i-ar fi întors regelui nu o coroană făcută de bijuterii, al cărei volum este imposibil de determinat din cauza complexității sale, ci o bucată de metal de aceeași formă pe care i-a dat-o regele, atunci ar fi fost imediat clar. indiferent dacă amestecase un alt metal în el sau nu. Și în timp ce făcea baie, Arhimede a observat că din ea se revărsa apă. Bănuia că se revarsa exact în același volum cu volumul ocupat de părțile corpului său scufundate în apă. Și lui Arhimede și-a dat seama că volumul coroanei poate fi determinat de volumul de apă deplasat de aceasta. Ei bine, dacă puteți măsura volumul coroanei, atunci acesta poate fi comparat cu volumul unei piese de aur de masă egală. Arhimede a scufundat coroana în apă și a măsurat cum a crescut volumul apei. De asemenea, a scufundat o bucată de aur în apă, a cărei masă era aceeași cu cea a coroanei. Și apoi a măsurat cum a crescut volumul de apă. Volumele de apă deplasate în cele două cazuri s-au dovedit a fi diferite. Astfel, maestrul a fost demascat ca un inselator, iar stiinta s-a imbogatit cu o minunata descoperire.

Din istorie se știe că problema coroanei de aur l-a determinat pe Arhimede să studieze problema plutirii corpurilor. Experimentele efectuate de Arhimede au fost descrise în eseul „Despre corpurile plutitoare”, care a ajuns până la noi. A șaptea propoziție (teoremă) a acestei lucrări a fost formulată de Arhimede astfel: corpurile mai grele decât lichidul, scufundate în acest lichid, se vor scufunda până vor ajunge chiar la fund, iar în lichid vor deveni mai ușoare cu greutatea lichidului. într-un volum egal cu volumul corpului scufundat.

Este interesant că forța lui Arhimede este zero atunci când un corp scufundat într-un lichid este apăsat strâns pe fund cu întreaga sa bază.

Descoperirea legii fundamentale a hidrostaticii este cea mai mare realizare a științei antice.

2. Formularea și explicarea legii lui Arhimede

Legea lui Arhimede descrie efectul lichidelor și gazelor asupra unui corp scufundat în ele și este una dintre principalele legi ale hidrostaticii și ale staticii gazelor.

Legea lui Arhimede este formulată după cum urmează: un corp scufundat într-un lichid (sau gaz) este acționat de o forță de plutire egală cu greutatea lichidului (sau gazului) în volumul părții scufundate a corpului - această forță este numit prin puterea lui Arhimede:

,

unde este densitatea lichidului (gazului), este accelerația gravitației, este volumul părții scufundate a corpului (sau a părții din volum a corpului situată sub suprafață).

În consecință, forța arhimediană depinde doar de densitatea lichidului în care este scufundat corpul și de volumul acestui corp. Dar nu depinde, de exemplu, de densitatea substanței unui corp scufundat într-un lichid, deoarece această cantitate nu este inclusă în formula rezultată.

Trebuie remarcat faptul că corpul trebuie să fie complet înconjurat de lichid (sau să se intersecteze cu suprafața lichidului). Deci, de exemplu, legea lui Arhimede nu poate fi aplicată unui cub care se află pe fundul unui rezervor, atingând ermetic fundul.

3. Definiția forței lui Arhimede

Forța cu care un corp dintr-un lichid este împins de acesta poate fi determinată experimental folosind acest dispozitiv:

Atârnăm o găleată mică și un corp cilindric pe un arc montat pe un trepied. Marcam întinderea arcului cu o săgeată pe un trepied, arătând greutatea corpului în aer. După ce am ridicat corpul, punem sub el un pahar cu un tub de drenaj, umplut cu lichid până la nivelul tubului de drenaj. După care corpul este scufundat în întregime în lichid. În acest caz, o parte din lichid, al cărui volum este egal cu volumul corpului, este turnată din vasul de turnare în sticlă. Indicatorul arcului se ridică, arcul se contractă, indicând o scădere a greutății corpului în lichid. În acest caz, împreună cu forța gravitațională, corpul este acționat și de o forță care îl împinge afară din lichid. Dacă lichidul dintr-un pahar este turnat în găleată (adică lichidul care a fost deplasat de corp), atunci indicatorul arcului va reveni la poziția inițială.

Pe baza acestui experiment, putem concluziona că forța care împinge un corp complet scufundat într-un lichid este egală cu greutatea lichidului în volumul acestui corp. Dependența presiunii dintr-un lichid (gaz) de adâncimea de scufundare a unui corp duce la apariția unei forțe de plutire (forța lui Arhimede) care acționează asupra oricărui corp scufundat într-un lichid sau gaz. Când un corp se scufundă, se mișcă în jos sub influența gravitației. Forța arhimediană este întotdeauna îndreptată opus forței gravitației, prin urmare greutatea unui corp într-un lichid sau gaz este întotdeauna mai mică decât greutatea acestui corp în vid.

Acest experiment confirmă faptul că forța arhimediană este egală cu greutatea lichidului în volumul corpului.

4. Starea corpurilor plutitoare

Un corp situat în interiorul unui lichid este acționat de două forțe: forța gravitațională, îndreptată vertical în jos, și forța arhimediană, îndreptată vertical în sus. Să luăm în considerare ce se va întâmpla cu corpul sub influența acestor forțe dacă la început a fost nemișcat.

În acest caz, sunt posibile trei cazuri:

1) Dacă forța gravitației este mai mare decât forța arhimediană, atunci corpul coboară, adică se scufundă:

, apoi trupul se îneacă;

2) Dacă modulul de greutate este egal cu modulul de forță arhimediană, atunci corpul poate fi în echilibru în interiorul lichidului la orice adâncime:

, apoi corpul plutește;

3) Dacă forța arhimediană este mai mare decât forța gravitației, atunci corpul se va ridica din lichid - plutește:

, apoi corpul plutește.

Dacă un corp plutitor iese parțial deasupra suprafeței lichidului, atunci volumul părții imersate a corpului plutitor este astfel încât greutatea lichidului deplasat este egală cu greutatea corpului plutitor.

Forța arhimediană este mai mare decât gravitația dacă densitatea lichidului este mai mare decât densitatea corpului scufundat în lichid, dacă

1) =— un corp plutește într-un lichid sau gaz, 2) >—corpul se îneacă, 3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Aceste principii ale relației dintre gravitație și forța lui Arhimede sunt folosite în transport maritim. Cu toate acestea, pe apă plutesc vase mari fluviale și maritime din oțel, a căror densitate este de aproape 8 ori mai mare decât densitatea apei. Acest lucru se explică prin faptul că doar o cocă relativ subțire a navei este realizată din oțel, iar cea mai mare parte a volumului său este ocupată de aer. Valoarea medie a densității navei se dovedește a fi semnificativ mai mică decât densitatea apei; prin urmare, nu numai că nu se scufundă, dar poate accepta și o cantitate mare de marfă pentru transport. Navele care navighează pe râuri, lacuri, mări și oceane sunt construite din materiale diferite cu densități diferite. Coca navelor este de obicei realizată din tablă de oțel. Toate elementele de fixare interioare care conferă rezistență navelor sunt, de asemenea, realizate din metale. Pentru construirea navelor se folosesc materiale diferite, care au atât densitate mai mare, cât și mai mică comparativ cu apa. Greutatea apei deplasată de partea subacvatică a navei este egală cu greutatea navei cu încărcătura în aer sau cu forța gravitațională care acționează asupra navei cu încărcătura.

Pentru aeronautică s-au folosit mai întâi baloane, care anterior erau umplute cu aer încălzit, acum cu hidrogen sau heliu. Pentru ca mingea să se ridice în aer, este necesar ca forța arhimediană (flotabilitatea) care acționează asupra mingii să fie mai mare decât forța gravitației.

5. Realizarea experimentului

Investigați comportamentul unui ou crud în diferite tipuri de lichide.

Obiectiv: a demonstra că valoarea forței de plutire depinde de densitatea lichidului.

Am luat un ou crud și diverse tipuri de lichide (Anexa 1):

Apa este curată;

apă saturată cu sare;

Ulei de floarea soarelui.

Mai întâi, am coborât oul crud în apă curată - oul s-a scufundat - „s-a scufundat până la fund” (Anexa 2). Apoi într-un pahar cu apă curată Am adaugat o lingura de sare de masa, drept urmare oul pluteste (Anexa 3). Și în cele din urmă, am coborât oul într-un pahar cu ulei de floarea soarelui - oul s-a scufundat în fund (Anexa 4).

Concluzie: în primul caz, densitatea oului este mai mare decât densitatea apei și, prin urmare, oul s-a scufundat. În al doilea caz, densitatea apei sărate este mai mare decât densitatea oului, astfel încât oul plutește în lichid. În al treilea caz, densitatea oului este, de asemenea, mai mare decât densitatea uleiului de floarea soarelui, așa că oul s-a scufundat. Prin urmare, cu cât densitatea lichidului este mai mare, cu atât forța gravitației este mai mică.

2. Acțiune forța arhimediană asupra corpului uman în apă.

Determinați experimental densitatea corpului uman, comparați-o cu densitatea apei dulci și de mare și trageți o concluzie despre capacitatea fundamentală a unei persoane de a înota;

Calculați greutatea unei persoane în aer și forța arhimediană care acționează asupra unei persoane în apă.

În primul rând, mi-am măsurat greutatea corporală folosind o cântar. Apoi a măsurat volumul corpului (fără volumul capului). Pentru a face acest lucru, am turnat suficientă apă în baie, astfel încât atunci când m-am scufundat în apă, să fiu complet scufundat (cu excepția capului). Apoi, folosind o bandă de centimetri, am marcat distanța de la marginea superioară a băii până la nivelul apei ℓ 1, apoi când am fost scufundat în apă ℓ 2. După aceea, folosind un borcan pre-gradat de trei litri, am început să turnez apă în baie de la nivelul ℓ 1 la nivelul ℓ 2 - așa am măsurat volumul de apă pe care l-am deplasat (Anexa 5). Am calculat densitatea folosind formula:

Forța gravitației care acționează asupra unui corp în aer a fost calculată folosind formula: , unde este accelerația gravitației ≈ 10. Valoarea forței de flotabilitate a fost calculată folosind formula descrisă în paragraful 2.

Concluzie: corpul uman este mai dens apă dulce, ceea ce înseamnă că se îneacă în ea. Este mai ușor pentru o persoană să înoate în mare decât într-un râu, deoarece densitatea apei de mare este mai mare și, prin urmare, mai multă valoare forță de plutire.

Concluzie

În procesul de lucru pe această temă, am învățat o mulțime de lucruri noi și interesante. Gama cunoștințelor noastre a crescut nu numai în domeniul de acțiune al puterii lui Arhimede, ci și în aplicarea acesteia în viață. Înainte de a începe lucrul, am avut o idee departe de a fi detaliată despre asta. În timpul experimentelor, am confirmat experimental validitatea legii lui Arhimede și am descoperit că forța de flotabilitate depinde de volumul corpului și de densitatea lichidului cu cât densitatea lichidului este mai mare, cu atât forța arhimedeană este mai mare; Forța rezultată, care determină comportamentul unui corp într-un lichid, depinde de masa, volumul corpului și densitatea lichidului.

Pe lângă experimentele efectuate, a fost studiat lectură în continuare despre descoperirea puterii lui Arhimede, despre plutirea corpurilor, aeronautica.

Fiecare dintre voi poate face descoperiri uimitoare și pentru aceasta nu este nevoie să aveți cunoștințe speciale sau echipamente puternice. Trebuie doar să ne uităm puțin mai atent la lumea din jurul nostru, să fim puțin mai independenți în judecățile noastre, iar descoperirile nu vă vor face să așteptați. Reticența majorității oamenilor de a ști lumea din jurul nostru lasa mult loc curiosilor in cele mai neasteptate locuri.

Referințe

1. Cartea mare de experimente pentru școlari - M.: Rosman, 2009. - 264 p.

2. Wikipedia: https://ru.wikipedia.org/wiki/Arhimedes_Law.

3. Perelman Ya.I. Fizica distractivă. - cartea 1. - Ekaterinburg.: Teză, 1994.

4. Perelman Ya.I. Fizica distractivă. - cartea 2. - Ekaterinburg.: Teză, 1994.

5. Peryshkin A.V. Fizica: clasa a VII-a: manual pt institutii de invatamant/ A.V. Peryshkin. - Ed. a XVI-a, stereotip. - M.: Butarda, 2013. - 192 p.: ill.

Anexa 1

Anexa 2

Anexa 3

Anexa 4

În ciuda diferențelor evidente în proprietățile lichidelor și gazelor, în multe cazuri comportamentul lor este determinat de aceiași parametri și ecuații, ceea ce face posibilă utilizarea unei abordări unificate pentru studierea proprietăților acestor substanțe.

În mecanică, gazele și lichidele sunt considerate medii continue. Se presupune că moleculele unei substanțe sunt distribuite continuu în partea de spațiu pe care o ocupă. În acest caz, densitatea unui gaz depinde în mod semnificativ de presiune, în timp ce pentru un lichid situația este diferită. De obicei, la rezolvarea problemelor, acest fapt este neglijat, folosind conceptul generalizat de fluid incompresibil, a cărui densitate este uniformă și constantă.

Definiția 1

Presiunea este definită ca forța normală $F$ care acționează asupra părții fluidului pe unitatea de suprafață $S$.

$ρ = \frac(\Delta P)(\Delta S)$.

Nota 1

Presiunea se măsoară în pascali. Un Pa egală cu forțaîn 1 N care acționează pe unitate de suprafață de 1 mp. m.

Într-o stare de echilibru, presiunea unui lichid sau a unui gaz este descrisă de legea lui Pascal, conform căreia presiunea pe suprafața unui lichid produsă de forțele externe este transmisă de lichid în mod egal în toate direcțiile.

În echilibru mecanic, presiunea orizontală a fluidului este întotdeauna aceeași; prin urmare, suprafata libera lichidul static este întotdeauna orizontal (cu excepția cazurilor de contact cu pereții vasului). Dacă luăm în considerare starea de incompresibilitate a lichidului, atunci densitatea mediului în cauză nu depinde de presiune.

Să ne imaginăm un anumit volum de lichid delimitat de un cilindru vertical. Să notăm secțiunea transversală a coloanei lichide ca $S$, înălțimea acesteia ca $h$, densitatea lichidului ca $ρ$ și greutatea ca $P=ρgSh$. Atunci următorul lucru este adevărat:

$p = \frac(P)(S) = \frac(ρgSh)(S) = ρgh$,

unde $p$ este presiunea din fundul vasului.

Rezultă că presiunea variază liniar cu altitudinea. În acest caz, $ρgh$ este presiunea hidrostatică, modificarea căreia explică apariția forței Arhimede.

Formularea legii lui Arhimede

Legea lui Arhimede, una dintre legile de bază ale hidrostaticii și aerostaticei, spune: un corp scufundat într-un lichid sau gaz este acționat de o forță de plutire sau de ridicare egală cu greutatea volumului de lichid sau gaz deplasat de partea din corp scufundat în lichid sau gaz.

Nota 2

Apariţia forţei arhimedice se datorează faptului că mediul - lichid sau gaz - tinde să ocupe spaţiul luat de corpul scufundat în el; în acest caz corpul este împins în afara mediului.

De aici și al doilea nume pentru acest fenomen – flotabilitate sau susținere hidrostatică.

Forța de flotabilitate nu depinde de forma corpului, precum și de compoziția corpului și de celelalte caracteristici ale acestuia.

Apariția forței arhimedeene se datorează diferenței de presiune a mediului la diferite adâncimi. De exemplu, presiunea asupra straturilor inferioare de apă este întotdeauna mai mare decât a straturilor superioare.

Manifestarea forței lui Arhimede este posibilă numai în prezența gravitației. Deci, de exemplu, pe Lună, forța de plutire va fi de șase ori mai mică decât pe Pământ pentru corpuri de volume egale.

Apariția Forței lui Arhimede

Să ne imaginăm orice mediu lichid, de exemplu, apa obișnuită. Să selectăm mental un volum arbitrar de apă pe o suprafață închisă $S$. Deoarece tot lichidul este în echilibru mecanic, volumul pe care l-am alocat este, de asemenea, static. Aceasta înseamnă că rezultanta și momentul forțelor externe care acționează asupra acestui volum limitat iau valori zero. Forțele externe în acest caz sunt greutatea unui volum limitat de apă și presiunea fluidului înconjurător pe suprafața exterioară $S$. Rezultă că forța rezultantă $F$ presiune hidrostatică, experimentată de suprafața $S$, este egală cu greutatea volumului de lichid care a fost limitat de suprafața $S$. Pentru ca momentul total al forțelor externe să dispară, rezultanta $F$ trebuie să fie îndreptată în sus și să treacă prin centrul de masă al volumului de lichid selectat.

Acum să notăm că în loc de acest lichid limitat condiționat, orice solid volumul adecvat. Dacă condiția de echilibru mecanic este îndeplinită, atunci din lateral mediu nu se vor produce modificări, inclusiv presiunea care acționează pe suprafața $S$ va rămâne aceeași. Astfel, putem da o formulare mai precisă a legii lui Arhimede:

Nota 3

Dacă un corp scufundat într-un lichid este în echilibru mecanic, atunci forța de plutire a presiunii hidrostatice acționează asupra lui din mediul care îl înconjoară, care este numeric egală cu greutatea mediului în volumul deplasat de corp.

Forța de plutire este îndreptată în sus și trece prin centrul de masă al corpului. Deci, conform legii lui Arhimede, forța de flotabilitate este valabilă:

$F_A = ρgV$, unde:

• $V_A$ - forța de flotabilitate, H;
• $ρ$ - densitatea lichidului sau gazului, $kg/m^3$;
• $V$ - volumul unui corp scufundat în mediu, $m^3$;
• $g$ - accelerație de cădere liberă, $m/s^2$.

Forța de plutire care acționează asupra corpului este opusă în direcție forței gravitaționale, prin urmare comportamentul corpului scufundat în mediu depinde de raportul dintre modulele gravitaționale $F_T$ și forța arhimediană $F_A$. Există trei cazuri posibile aici:

1. $F_T$ > $F_A$. Forța gravitației depășește forța de plutire, prin urmare corpul se scufundă/cade;
2. $F_T$ = $F_A$. Forța gravitației este egalată cu forța de plutire, astfel încât corpul „atârnă” în lichid;
3. $F_T$