Закон Архимеда, названный в честь греческого ученого, является одним из фундаментальных законов физики, который объясняет поведение тел в жидкостях. Он утверждает, что тело, погруженное в жидкость, испытывает выталкивающую силу, равную весу вытесненной жидкости. Другими словами, на тело, погруженное в жидкость или газ действует выталкивающая сила, численно равная весу объема жидкости или газа, вытесненного телом. Этот закон играет важную роль в различных областях, от науки до инженерии
Основной принцип
Основополагающие принципы закона Архимеда могут быть объяснены с использованием простых примеров. Представьте себе, что вы погружаетесь в полностью наполненную ванну. Как только вы входите в воду, вы ощущаете поднятие или выталкивающую силу, которая устремляет вас обратно к поверхности. Это происходит потому, что ваше тело выталкивает определенный объем воды, и сила Архимеда поднимает вас вверх. Именно это обеспечивает способность людей и предметов плавать в воде.
Силы, действующие на тело, погруженное в жидкость.
Итак, если мы положим тело в жидкость, оно будет взаимодействовать с ней под действием силы тяжести и силы плавучести. Сила тяжести направлена вниз и определяется массой тела и ускорением свободного падения. Сила плавучести же направлена вверх и зависит от плотности жидкости и тела.
Если груз не погружен в жидкость полностью, то сила плавучести будет равна силе, с которой тело выталкивает жидкость вверх. При полном погружении тела в жидкость сила плавучести будет равна весу вытесненной жидкости.
Условия плавания тел
Fарх=ρжgV
- ρж — плотность жидкости
- ρт — плотность тела
- m — масса тела
- V- объем вытесненной воды
- g – ускорение свободного падения
- Fарх – сила Архимеда
Важно отметить, что плавучесть не зависит от формы или размера тела, она зависит только от плотности жидкости и плотности материала, из которого сделано тело.
Таким образом, если тело плотнее жидкости, оно падает на дно, так как сила тяжести больше силы плавучести. Если тело легче жидкости, оно будет плавать на поверхности, так как сила плавучести больше силы тяжести.
Применение закона Архимеда в судостроении
Применение закона Архимеда идет далее понимания тел, находящихся в жидкостях, играет важную роль в гидростатике, науке, изучающей статическое равновесие жидкостей, и гидродинамике, изучающей движение жидкостей и газов. Он также широко применяется в судостроении для определения подъемной силы на кораблях и судах.
Одним из примеров применения закона Архимеда в судостроении является расчет плавучести судна.
На плавающее судно действуют силы, направленные вниз и вверх. Вниз направленные силы веса (тяжести) пропорциональны нагрузке массы судна. Вверх направленные силы гидростатические и пропорциональны массе вытесненной воды. Суммарная сила веса приложена в центре тяжести судна в точке G и всегда направлена вниз. Эта сила включает массу судна и всех грузов. Результирующая сила гидростатических сил приводит к вертикальной силе yV, направленной вверх. Эти силы определяются давлением воды на поверхность судна и называются силой поддержания или силой плавучести.
Кроме того, закон Архимеда применяется в процессе проектирования мостиков судов. Мостик — это платформа, расположенная на верхней части судового корпуса. Мостик служит для управления и наблюдения за судном. Закон Архимеда позволяет определить, какую высоту должен иметь мостик, чтобы обеспечить его устойчивость и сохранить плавучесть судна.
Применение закона Архимеда в определении плотности материалов
Закон Архимеда также находит применение в исследованиях области гидростатики и в определении плотности материалов c помощью плотномеров.
Принцип работы плотномера основан на измерении плотности или удельного веса жидкости или газа. Он может использоваться для определения плотности различных веществ, таких как нефть, вода, химические растворы и другие.
Основной элемент плотномера — это датчик, который обычно состоит из двух частей: измерительного элемента и трансдьюсера. Измерительный элемент может быть либо плавающим телом (для жидкостей), либо грузом (для газов). Плавающее тело или груз погружается в среду и под воздействием силы Архимеда поднимается или погружается в зависимости от плотности среды.
Трансдьюсер преобразует механическое движение плавающего тела или груза в электрический сигнал. Этот сигнал затем передается на электронную схему или компьютер для обработки и отображения результата измерения.
Значение плотности определяется путем сравнения механического движения плавающего тела или груза с известными эталонными значениями или калибровочными кривыми. Обработка и анализ этих данных позволяют точно определить плотность среды.
Плотномеры могут быть использованы в различных отраслях промышленности, таких как нефтехимическая, пищевая, фармацевтическая и другие, где точное измерение плотности вещества является важным параметром контроля процесса.
Применение закона Архимеда в авиаконструировании
Наконец, закон Архимеда играет немаловажную роль в понимании принципа работы планеров и вертолетов. Планеры изготавливаются со сплошным крылом, чтобы максимально использовать силу Архимеда и создать подъемную силу. Аналогично, вертолеты формируют противоположность вращению лопастей для создания аэродинамической силы. В обоих случаях принцип Архимеда используется для расчета и манипуляций силой подъема.
Эксперимент и практическое применение
В воздухе Архимедова сила действует так же, как в жидкости. Например, воздушный шарик, накаченный гелием, будет лететь вверх потому, что плотность гелия намного меньше плотности воздуха.
Еще один пример — это кораблик, плавающий по «невидимой воде».
Эксперимент заключается в том, что бумажный кораблик опускают в аквариум, наполненный бутаном. Плотность бутана ниже, чем у воздуха. Более тяжелый газ расположится на дне аквариума и будет создаваться ощущение плавания по воздуху или чему-то невидимому.
Этот принцип применяется в аэростатах, таких как воздушные шары и дирижабли. Воздушные суда наполняются гелием или горячим воздухом, где более горячий воздух имеет меньшую плотность. Это позволяет им подниматься вверх. Для спуска, концентрация гелия или температура воздуха снижается. При этом они ощущают такую же силу выталкивания, как подводные лодки. Именно поэтому перемещение на аэростатах называется воздухоплаванием.
Заключение
Закон Архимеда является одним из самых фундаментальных законов физики, который объясняет поведение тел в жидкостях. Важные приложения этого закона можно найти в гидростатике, гидродинамике, судостроении, определении плотности материалов и даже в аэродинамике. Понимание и применение закона Архимеда играют существенную роль в различных областях науки и инженерии, содействуя разработке новых технологий и улучшению наших знаний в области физики.
