การลอยตัว: มันคืออะไร สูตร หลักการของอาร์คิมิดีส

โอ การลอยตัว คือ แรงที่กระทำต่อวัตถุที่แช่อยู่ในบางส่วนหรือทั้งหมด ของเหลวเช่นอากาศและน้ำ แรงขับคือ aความยิ่งใหญ่ของเวกเตอร์ที่นั่น,วัดใน นิวตันซึ่งมักจะชี้ไปที่ เหมือนกันทิศทาง และใน ความรู้สึกตรงข้าม ต่อน้ำหนักตัวที่แช่อยู่ ตามหลักการของอาร์คิมิดีส แรงลอยตัวบนวัตถุมีขนาดเท่ากับ น้ำหนัก ของของเหลวที่ถูกแทนที่เนื่องจากการแช่ของร่างกาย

ดูยัง: ทฤษฎีบทปาสกาลและการทำงานของลูกสูบไฮดรอลิก

นิยามของแรงผลักดัน

แรงขับคือ a ความแข็งแกร่ง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อร่างกายบางส่วนครอบครองพื้นที่ภายในของเหลว ความแข็งแกร่งดังกล่าวขึ้นอยู่กับ .เท่านั้น ปริมาตรของของไหลที่ถูกแทนที่, เช่นเดียวกับ ความหนาแน่นของของเหลวและแรงโน้มถ่วงในท้องถิ่น local. จากข้อมูลนี้ ลองดูสูตรที่ใช้คำนวณโมดูลัสของแรงลอยตัว:

และ – แรงขับ (N)
d – ความหนาแน่นของของเหลว (กก./ลบ.ม.)
วี – ปริมาตรที่แช่ในร่างกายหรือปริมาตรของเหลวที่ถูกแทนที่ (m³)

ก่อนที่เราจะพูดถึงตัวอย่างแรงขับ เราจะอธิบายแต่ละ explain ความยิ่งใหญ่ที่เกี่ยวข้อง ในการคำนวณแรงขับ หากคุณต้องการเจาะลึกลงไปในหัวเรื่อง เราขอแนะนำให้คุณอ่านข้อความของเราที่ อุทกสถิต. ในบทความนี้ คุณจะพบภาพรวมของทุกสิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับสาขาวิชาฟิสิกส์ในสาขานี้

ดูยัง: ทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับเวฟ

• แรงขับ (E)

แรงผลักดันคือ เวกเตอร์ดังนั้น ในการคำนวณขนาดนี้ จำเป็นต้องใช้ กฎการบวกเวกเตอร์. นอกจากนี้ เนื่องจากเป็น ความแข็งแกร่งการแก้ปัญหาของแบบฝึกหัดที่ซับซ้อนมากขึ้นนั้น ในที่สุด เราใช้ กฎข้อที่สองของนิวตันซึ่งอ้างว่าแรงสุทธิบนวัตถุมีค่าเท่ากับผลคูณของมวลและความเร่งของมัน

อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)

รูปภาพต่อไปนี้แสดงกรณีที่ร่างกายจุ่มลงในของเหลวโดยสมบูรณ์ เนื่องจากน้ำหนักและการลอยตัว ในทิศทางเดียวกัน (แนวตั้ง) แต่ในทิศทางตรงกันข้าม แรงที่เกิดขึ้นสามารถคำนวณได้โดยผลต่างของ สอง:

ในรูป ความแตกต่างระหว่างน้ำหนักและแรงขับทำให้เกิดแรงสุทธิ

จากโครงร่างที่นำเสนอ จะเห็นได้ว่า ยอดลอยตัวนั่นคือ เป็นไปได้ที่จะรู้ว่าร่างกายจะจมหรือลอยอยู่:

• หากน้ำหนักของร่างกายมากกว่าแรงขับของของไหล วัตถุจะจมลง
• หากน้ำหนักของร่างกายเท่ากับแรงขับของของไหล วัตถุนั้นจะคงสมดุล
• หากน้ำหนักตัวน้อยกว่าแรงขับ วัตถุจะลอยไปที่พื้นผิวของเหลว

ดูยัง: ฟิสิกส์ควอนตัมมีส่วนสำคัญต่อมนุษยชาติอย่างไร?

• ความหนาแน่นของของไหล (ง)

THE ความหนาแน่นหรือมวลจำเพาะของของไหล หมายถึง ปริมาณของสารต่อหน่วยปริมาตรของเหลว. ความหนาแน่นคือ ความยิ่งใหญ่ปีน, วัดเป็นหน่วยกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m³) ตามค่า ระบบการวัดระดับสากล (เอสไอ).

ตรวจสอบสูตรที่ใช้คำนวณความหนาแน่นของร่างกายด้านล่าง:

ในขั้นต้น ความหนาแน่นของวัตถุทั้งหมดถูกวัดเป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นของน้ำบริสุทธิ์ ดังนั้นความหนาแน่นของน้ำภายใต้สภาวะปกติของความดันและอุณหภูมิ (1 atm และ 25 °C) ถูกกำหนดไว้ใน 1,000 กก./ลบ.ม..

แม้ว่าเราจะใช้หน่วย SI ในการคำนวณ แต่ก็เป็นเรื่องปกติสำหรับความหนาแน่นของของเหลว แสดงในหน่วยอื่น ดังนั้น ในรูปด้านล่าง เรานำเสนอโครงการที่เกี่ยวข้องกับ ที่ หน่วยวัดความหนาแน่นหลัก และความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขากับหน่วยมาตรฐาน:

ตามโครงการ 1,000 กก./ลบ.ม. เท่ากับ 1 กก./ลิตร และ 1 ก./ซม.³

ในรูปที่สังเกต เรานำเสนอหน่วยทั่วไปสำหรับความหนาแน่นของของไหล อย่างไรก็ตาม คุณอาจเจอหน่วยอื่น ซึ่งในกรณีนี้ คุณต้องรู้วิธีใช้ คำนำหน้าระบบหน่วยสากลรวมทั้งดำเนินการ การแปลงปริมาณ.

ดูยัง:น้ำเย็นช่วยลดน้ำหนักได้หรือไม่?

• ความรุนแรง (g)

แรงโน้มถ่วงคือ อัตราเร่ง ที่มวลของโลกออกสู่ร่างกายทุกส่วน ที่อยู่รอบตัวคุณ ที่ระดับน้ำทะเล แรงโน้มถ่วง da Terra มีความเข้มข้น 9.81 ม./วินาที² อย่างไรก็ตาม แบบฝึกหัดส่วนใหญ่ใช้การวัดนี้ ปัดเศษเป็น 10 เมตร/วินาที² อย่าลืมใช้แรงโน้มถ่วงตามคำกล่าวของ การออกกำลังกาย

• ปริมาณของเหลวที่ถูกแทนที่หรือปริมาตรของร่างกาย (V)

ขนาดของปริมาตรที่มีอยู่ในสูตรแรงขับสัมพันธ์กับปริมาณของ ปริมาณของร่างกายถูกฝังอยู่ในของเหลว หรือถึง ปริมาณของเหลวที่ถูกแทนที่. ปริมาตรของร่างกายที่เป็นปัญหาต้องวัดเป็นลูกบาศก์เมตร (m³)

หลักการของอาร์คิมิดีส

จากการเก็งกำไร หลักการของอาร์คิมิดีส พัฒนาขึ้นเมื่อวันหนึ่ง นักคณิตศาสตร์ชาวกรีกตระหนักว่าเมื่อเขาเข้าไปในอ่างน้ำที่เต็มไปด้วย น้ำของเหลวจำนวนมากตกลงมาจากอ่างอาบน้ำ - ปริมาณเดียวกับที่คุณครอบครอง ร่างกาย. หลังจากการสังเกตนี้ อาร์คิมิดีสสรุปว่ามวลและด้วยเหตุนี้ น้ำหนักของน้ำที่ตกลงมาจากอ่างอาบน้ำจึงไม่เท่ากับน้ำหนักและมวลของมัน และความแตกต่างนี้จะอธิบาย ทำไมร่างกายถึงลอย.

จึงมีข้อความว่า

“เมื่อร่างใดถูกสอดเข้าไปในของเหลว แรงลอยตัวในแนวตั้งและขึ้นบนร่างกาย แรงนี้เท่ากับน้ำหนักของของไหลที่ถูกแทนที่"

กรณีผันผวน

เป็นไปได้ที่จะเปรียบเทียบของเหลวและความหนาแน่นของร่างกายที่จมอยู่ใต้น้ำเพื่อทำนายว่าร่างกายนี้หรือไม่ จะจม, จะลอย หรืออยู่ใน สมดุล. ลองตรวจสอบสถานการณ์เหล่านี้:

→ ร่างกายจม: ถ้าวัตถุที่แช่อยู่ในของไหลจมลง สรุปได้ว่าของมัน ความหนาแน่นมากกว่าความหนาแน่นของของเหลวในทำนองเดียวกัน เราบอกว่าน้ำหนักของมันมากกว่าแรงขับของของไหล

→ ร่างกายมีความสมดุล: ถ้าร่างที่วางไว้บนของไหลยังคงอยู่ในสภาวะสมดุล กล่าวคือ อยู่กับที่ กล่าวได้ว่า ความหนาแน่นของร่างกายและของเหลวเท่ากันรวมทั้งน้ำหนักและแรงขับ

→ ตัวลอย: เมื่อร่างลอย ถ้าปล่อยไปในของเหลว แรงผลักดันที่กระทำกับมันนั้นมากกว่าน้ำหนัก ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่า ความหนาแน่นของร่างกายนี้น้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว ที่เขาพบตัวเอง

ดูด้วย: ใช้มือถือตลอดเวลาส่งผลเสียต่อสุขภาพหรือไม่? หามันออก!

น้ำหนักชัดเจน

คุณอาจสังเกตเห็นว่าร่างบางตัวดูเบากว่าที่เป็นจริงหากวางไว้ในน้ำ นั่นเป็นเพราะว่าเมื่อจุ่มลงไป นอกจากน้ำหนักแล้ว เรามี การลอยตัว การแสดง ความแตกต่างระหว่างแรงทั้งสองนี้เรียกว่าน้ำหนักปรากฏ

ให้สังเกตว่าถ้าน้ำหนักและแรงผลักมีขนาดเท่ากัน น้ำหนักที่มองเห็นได้ของร่างกายจะเป็นโมฆะ นั่นคือ ในสภาวะนี้ เหมือนกับว่าวัตถุไม่มีน้ำหนักเลย ดังนั้น มันจะเป็น หยุด เกี่ยวกับของเหลว

ตัวอย่างการลอยตัว

ดูตัวอย่างของสถานการณ์ที่มีการแสดงแรงลอยตัว:

• เนื่องจากมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำที่เป็นของเหลว น้ำแข็งจึงลอยได้
• ไอน้ำและอากาศร้อนมักจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากเมื่ออากาศร้อนขึ้นจะใช้พื้นที่มากขึ้น ทำให้ความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็น
• ฟองแชมเปญประกอบด้วย คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นก๊าซที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำหลายเท่า ดังนั้นเมื่อคุณเปิดขวดแชมเปญ ฟองเหล่านี้จะถูกขับออกจากของเหลวอย่างรุนแรง
• ลูกโป่งปาร์ตี้ลอยน้ำทำเช่นนั้นเนื่องจากการลอยตัวของอากาศในบรรยากาศ เนื่องจากเต็มไปด้วยก๊าซที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าก๊าซในบรรยากาศ เช่น ก๊าซฮีเลียม

แก้ไขแบบฝึกหัด

คำถามที่ 1-(ศัตรู 2011)  ในการทดลองเพื่อกำหนดความหนาแน่นของน้ำในทะเลสาบ มีการใช้วัสดุบางอย่างตาม according ภาพประกอบ: ไดนาโมมิเตอร์ D ที่มีการสำเร็จการศึกษาจาก 0 N ถึง 50 N และลูกบาศก์ขนาดใหญ่และเป็นเนื้อเดียวกันที่มีขอบ 10 ซม. และมวล 3 กก. ในขั้นต้น มีการตรวจสอบการสอบเทียบไดนาโมมิเตอร์ โดยตรวจสอบการอ่าน 30 นิวตันเมื่อลูกบาศก์ถูกต่อเข้ากับไดนาโมมิเตอร์และลอยอยู่ในอากาศ โดยการจุ่มลูกบาศก์ลงในน้ำในทะเลสาบ จนกระทั่งปริมาตรของลูกบาศก์จมลงครึ่งหนึ่ง การอ่านค่า 24 N ถูกบันทึกไว้บนไดนาโมมิเตอร์

เมื่อพิจารณาว่าความเร่งตามแรงโน้มถ่วงในพื้นที่คือ 10 ม./วินาที² ความหนาแน่นของน้ำในทะเลสาบมีหน่วยเป็นกก./ลบ.ม. คือ:

ก) 0.6
ข) 1.2
ค) 1.5
ง) 2.4
จ) 4.8

ความละเอียด

ทางเลือกข.

ประการแรก จำเป็นต้องตระหนักว่าความแตกต่างของ "น้ำหนัก" ที่บันทึกไว้ในไดนาโมมิเตอร์หมายถึงแรงลอยตัวที่กระทำโดยน้ำในทะเลสาบ ซึ่งในกรณีนี้ เท่ากับ 6 นิวตัน หลังจากนั้นเราสามารถใช้สูตรการลอยตัวโดยใช้ข้อมูลที่ได้จากการฝึก สังเกตการคำนวณ:

ในการคำนวณข้างต้น เราต้องแปลงปริมาตรของลูกบาศก์ เป็นลูกบาศก์เซนติเมตร เป็นลูกบาศก์เมตร

คำถามที่ 2 -(ศัตรู 2010) ระหว่างการก่อสร้างในคลับ คนงานกลุ่มหนึ่งต้องถอดรูปปั้นเหล็กขนาดใหญ่ที่วางอยู่ที่ด้านล่างของสระว่ายน้ำที่ว่างเปล่า คนงานห้าคนผูกเชือกกับรูปสลักและพยายามดึงมันขึ้น แต่ไม่ประสบความสำเร็จ ถ้าสระเต็มไปด้วยน้ำ คนงานจะถอดรูปสลักได้ง่ายขึ้น เนื่องจาก:

ก) ประติมากรรมจะลอย ด้วยวิธีนี้ ผู้ชายจะไม่ต้องเครียดเพื่อเอารูปปั้นออกจากด้านล่าง
ข) รูปสลักจะเบาลง ด้วยวิธีนี้ แรงที่ต้องใช้ในการยกรูปสลักจะลดลง
ค) น้ำจะออกแรงบนประติมากรรมตามสัดส่วนของมวลและขึ้นไป แรงนี้จะถูกเพิ่มเข้าไปในแรงที่คนงานใช้ในการยกเลิกการกระทำของแรงถ่วงน้ำหนักของประติมากรรม
d) น้ำจะออกแรงกดลงบนรูปปั้น และจะได้รับแรงขึ้นจากพื้นสระ แรงนี้จะช่วยยกเลิกการกระทำของแรงน้ำหนักในประติมากรรม
จ) น้ำจะออกแรงบนประติมากรรมตามสัดส่วนของปริมาตรและขึ้นไป แรงนี้จะช่วยเพิ่มแรงที่คนงานออกแรง และอาจส่งผลให้มีแรงขึ้นมากกว่าน้ำหนักของประติมากรรม

ความละเอียด

ทางเลือก e. เมื่อเติมน้ำในสระ แรงลอยตัวจะกระทำกับสระในแนวตั้งและขึ้นด้านบน ดังนั้นจะ "เบาลง" และดึงออกจากก้นสระได้ง่ายขึ้น

โดย Rafael Hellerbrock
ครูฟิสิกส์