อุทกสถิตเป็นพื้นที่ของฟิสิกส์ที่ศึกษา ของเหลวที่หยุดนิ่ง. สาขานี้เกี่ยวข้องกับแนวคิดหลายประการ เช่น ความหนาแน่น ความดัน ปริมาตร และแรงลอยตัว
แนวคิดหลักของอุทกสถิต
ความหนาแน่น
ความหนาแน่นกำหนดความเข้มข้นของสสารในปริมาตรที่กำหนด
เกี่ยวกับความหนาแน่นของร่างกายและของเหลวที่เรามี:
- ถ้าความหนาแน่นของร่างกายน้อยกว่าความหนาแน่นของของเหลว ร่างกายจะลอยอยู่บนผิวของของเหลว
- ถ้าความหนาแน่นของร่างกายเท่ากับความหนาแน่นของของเหลว ร่างกายจะอยู่ในสมดุลกับของเหลว
- ถ้าความหนาแน่นของร่างกายมากกว่าความหนาแน่นของของเหลว ร่างกายจะจมลง
ในการคำนวณความหนาแน่นจะใช้สูตรต่อไปนี้:
d = m/v
เป็น
d: ความหนาแน่น
ม: พาสต้า
วี: ปริมาณ
ในระบบสากล (SI):
- ความหนาแน่นมีหน่วยเป็นกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (g/cm3) แต่ก็สามารถแสดงเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตรได้เช่นกัน (kg/m3) หรือหน่วยกรัมต่อมิลลิลิตร (g/ml);
- มวลเป็นกิโลกรัม (Kg);
- ปริมาตรเป็นลูกบาศก์เมตร (m3).
อ่านเกี่ยวกับ .ด้วย ความหนาแน่น และ ความหนาแน่นของน้ำ.
ความดัน
ความดันเป็นแนวคิดที่สำคัญของอุทกสถิต และในการศึกษานี้เรียกว่า แรงดันน้ำ. เป็นตัวกำหนดความดันที่ของเหลวกระทำต่อผู้อื่น
ตัวอย่างเช่น เราสามารถนึกถึงความกดดันที่เรารู้สึกได้เมื่อว่ายน้ำ ดังนั้นยิ่งเราดำน้ำลึกเท่าใด ความดันอุทกสถิตก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
แนวคิดนี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความหนาแน่นของของเหลวและการเร่งความเร็วของแรงโน้มถ่วง ดังนั้นแรงดันไฮโดรสแตติกจึงคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
พี = ง. เอช ก
ที่ไหน
พี: แรงดันอุทกสถิต
d: ความหนาแน่นของของเหลว
โฮ: ความสูงของของเหลวในภาชนะ
ก: ความเร่งโน้มถ่วง
ในระบบสากล (SI):
- ความดันไฮโดรสแตติกอยู่ใน Pascal (Pa) แต่บรรยากาศ (atm) และมิลลิเมตรปรอท (mmHg) ก็ใช้เช่นกัน
- ความหนาแน่นของของเหลวมีหน่วยเป็นกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (g/cm3);
- ความสูงเป็นเมตร (m);
- ความเร่งของแรงโน้มถ่วงมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีกำลังสอง (m/sec2).
บันทึก: โปรดทราบว่าแรงดันไฮโดรสแตติกไม่ได้ขึ้นอยู่กับรูปร่างของภาชนะ ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลว ความสูงของคอลัมน์ของของเหลว และแรงโน้มถ่วงของตำแหน่ง
ต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติม? อ่านเกี่ยวกับ .ด้วย ความกดอากาศ.
การลอยตัว
แรงขับเรียกอีกอย่างว่าแรงขับคือ a แรงอุทกสถิต ที่กระทำต่อร่างกายที่แช่อยู่ในของเหลว ดังนั้น แรงลอยตัวคือแรงผลลัพธ์ที่กระทำโดยของไหลบนวัตถุที่กำหนด
ตัวอย่างเช่น เราสามารถนึกถึงร่างกายของเราที่รู้สึกเบาขึ้นเมื่ออยู่ในน้ำ ไม่ว่าจะในสระน้ำหรือในทะเล
โปรดทราบว่าแรงที่กระทำโดยของเหลวบนร่างกายนี้ได้รับการศึกษามาแล้วในสมัยโบราณ
นักคณิตศาสตร์ชาวกรีก อาร์คิมิดีสเป็นผู้ที่ทำการทดลองอุทกสถิต ซึ่งทำให้เขาสามารถคำนวณค่าของแรงลอยตัว (แนวตั้งขึ้นไป) ที่ทำให้ร่างกายเบาขึ้นภายในของเหลว โปรดทราบว่ามันทำหน้าที่ตรงกันข้ามกับ ความแข็งแรงน้ำหนัก.
การกระตุ้นของแรงลอยตัวและแรงน้ำหนัก
ดังนั้น คำสั่งของ ทฤษฎีบทของอาร์คิมิดีส หรือกฎการลอยตัวคือ:
“ทุกร่างที่แช่อยู่ในของเหลวจะได้รับแรงกระตุ้นจากล่างขึ้นบนเท่ากับน้ำหนักของปริมาตรของ ของเหลวถูกแทนที่ด้วยเหตุนี้ร่างกายจึงหนาแน่นกว่าอ่างน้ำในขณะที่ความหนาแน่นน้อยกว่า ลอย”.
เกี่ยวกับแรงลอยตัว เราสามารถสรุปได้ว่า:
- ถ้าแรงลอยตัว (E) มากกว่าแรงน้ำหนัก (P) ร่างกายจะลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ
- ถ้าแรงลอยตัว (E) มีความเข้มข้นเท่ากับแรงถ่วงน้ำหนัก (P) ร่างกายจะไม่ขึ้นหรือลง และจะคงสมดุลไว้
- ถ้าแรงลอยตัว (E) น้อยกว่าแรงน้ำหนัก (P) ร่างกายจะจม
จำไว้ว่าแรงลอยตัวคือ a ความยิ่งใหญ่ของเวกเตอร์นั่นคือ มีทิศทาง โมดูล และทิศทาง
ในระบบสากล (SI) แรงขับ (E) ถูกกำหนดเป็นนิวตัน (N) และคำนวณโดยสูตรต่อไปนี้:
E = dฉ. วีfd. ก
ที่ไหน
และ: แรงลอยตัว
dฉ: ความหนาแน่นของของเหลว
วีfd: ปริมาณของเหลว
ก: ความเร่งโน้มถ่วง
ในระบบสากล (SI):
- ความหนาแน่นของของเหลวมีหน่วยเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m3);
- ปริมาตรของเหลวมีหน่วยเป็นลูกบาศก์เมตร (m3);
- ความเร่งของแรงโน้มถ่วงมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีกำลังสอง (m/sec2).
อ่าน สูตรแรงขับ.
สเกลอุทกสถิต
สมดุลอุทกสถิตถูกคิดค้นโดยนักฟิสิกส์ นักคณิตศาสตร์ และปราชญ์ชาวอิตาลี กาลิเลโอ กาลิเลอี (1564-1642)
ขึ้นอยู่กับ หลักการของอาร์คิมิดีสเครื่องมือนี้ใช้วัดแรงลอยตัวที่กระทำต่อร่างกายที่แช่อยู่ในของเหลว
กล่าวคือจะกำหนดน้ำหนักของวัตถุที่แช่อยู่ในของเหลว ซึ่งจะเบากว่าในอากาศ
สเกลอุทกสถิต
อ่านด้วย: หลักการของปาสกาล.
กฎหมายพื้นฐานของอุทกสถิตย์
อู๋ ทฤษฎีบทของสตีเวน เรียกว่า "กฎพื้นฐานของอุทกสถิต" ทฤษฎีนี้กำหนดความสัมพันธ์ของการแปรผันระหว่างปริมาตรของเหลวและความดันอุทกสถิต ข้อความของคุณแสดงดังต่อไปนี้:
“ความแตกต่างระหว่างความดันของของไหลสองจุดที่สมดุล (พัก) เท่ากับผลคูณ ระหว่างความหนาแน่นของของไหล ความเร่งของแรงโน้มถ่วง และความแตกต่างระหว่างความลึกของ คะแนน.”
ทฤษฎีบทของสตีวินแสดงโดยสูตรต่อไปนี้:
∆P = γ ⋅ โอ้ หรือ ∆P = ง. กรัม โอ้
ที่ไหน
∆พี: ความแปรผันของความดันอุทกสถิต
γ: น้ำหนักจำเพาะของของไหล
โอ้: การเปลี่ยนแปลงความสูงของคอลัมน์ของเหลว
d: ความหนาแน่น
ก: ความเร่งโน้มถ่วง
ในระบบสากล (SI):
- ความแปรผันของแรงดันไฮโดรสแตติกอยู่ในภาษาปาสกาล (Pa);
- น้ำหนักจำเพาะของของไหลมีหน่วยเป็นนิวตันต่อลูกบาศก์เมตร (N/m3);
- ความแปรผันของความสูงของคอลัมน์ของเหลวเป็นเมตร (m)
- ความหนาแน่นเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m3);
- ความเร่งของแรงโน้มถ่วงมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีกำลังสอง (m/sec2).
อุทกสถิตและอุทกพลศาสตร์
ในขณะที่อุทกสถิตศึกษาของเหลวที่อยู่นิ่ง อุทกพลศาสตร์เป็นสาขาของฟิสิกส์ที่ศึกษาการเคลื่อนที่ของของไหลเหล่านี้
แบบฝึกหัดสอบเข้าพร้อมคำติชม
1. (PUC-PR) การลอยตัวเป็นปรากฏการณ์ที่คุ้นเคยมาก ตัวอย่างหนึ่งคือความสะดวกในการลุกขึ้นจากในสระ เมื่อเทียบกับการพยายามลุกขึ้นจากน้ำ เช่น ในอากาศ
ตามหลักการของอาร์คิมิดีส ซึ่งกำหนดแรงขับ ให้ทำเครื่องหมายข้อเสนอที่ถูกต้อง:
ก) เมื่อร่างลอยอยู่ในน้ำ การลอยตัวที่ร่างกายได้รับจะน้อยกว่าน้ำหนักตัว
b) หลักการของอาร์คิมิดีสใช้ได้เฉพาะกับวัตถุที่แช่อยู่ในของเหลวเท่านั้น และไม่สามารถใช้กับก๊าซได้
ค) ร่างกายที่แช่ทั้งหมดหรือบางส่วนในของไหลประสบกับแรงแนวตั้งที่สูงขึ้นเท่ากับในโมดูลกับน้ำหนักของของไหลที่ถูกแทนที่
ง) ถ้าร่างจมลงไปในน้ำด้วยความเร็วคงที่ แรงลอยตัวบนตัวมันจะเป็นศูนย์
จ) วัตถุสองชิ้นที่มีปริมาตรเท่ากัน เมื่อแช่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นต่างกัน จะได้รับแรงผลักเท่ากัน
ทางเลือก c
2. (UERJ-RJ) แพซึ่งมีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยมขนานกันลอยอยู่บนทะเลสาบน้ำจืด ฐานของตัวเรือซึ่งมีขนาดยาว 20 ม. และกว้าง 5 ม. ขนานกับผิวน้ำที่ว่างและจมอยู่ใต้น้ำห่างจากพื้นผิวนั้น สมมติว่าแพบรรจุรถยนต์ 10 คัน แต่ละคันมีน้ำหนัก 1,200 กก. เพื่อให้ฐานของตัวเรือขนานกับพื้นผิวน้ำที่ว่าง แต่จมอยู่ใต้น้ำในระยะห่าง d จากพื้นผิวนั้น
ถ้าความหนาแน่นของน้ำเท่ากับ 1.0 × 103 กก./ม.3, การเปลี่ยนแปลง (d – do) ในหน่วยเซนติเมตร คือ: (g=10m/sm2)
ก) 2
ข) 6
ค) 12
ง) 24
จ) 22
ทางเลือก c
3. (UNIFOR-CE) ของเหลวเฉื่อยทางเคมี 2 ชนิดที่เข้ากันไม่ได้ A และ B ที่มีความหนาแน่น dA=2.80g/cm3 และ dB=1.60g/cm3ตามลำดับ วางในภาชนะเดียวกัน รู้ว่าปริมาตรของของเหลว A เป็นสองเท่าของ B คือความหนาแน่นของส่วนผสม มีหน่วยเป็น g/cm3, ตกลง:
ก) 2.40
ข) 2.30
ค) 2.20
ง) 2.10
จ) 2.00
ทางเลือกของ
สำหรับคำถามเพิ่มเติมพร้อมวิธีแก้ไขความคิดเห็น โปรดดูเพิ่มเติมที่: แบบฝึกหัดอุทกสถิต.
