Archimedes síla

Pojďme udělat jednoduchý experiment: vezměte slabě nahuštěnou gumovou kouli a "nalijte ji" do vody. Pokud je hloubka ponoření rovna 1 až 2 metry, pak je snadné zjistit, že jeho objem se sníží, tj. ze všech stran byla míč vytlačen určitou silou. Obvykle se říká, že hydrostatický tlak je "vinný" zde - fyzikální analog síly působící v nehybných tekutinách na ponořeném těle. Hydrostatické síly působí na tělo ze všech stran a jejich výsledná, známá jako Archimedská síla, se také nazývá síla vztlaku, která odpovídá jejímu směru působení na tělo ponořené do kapaliny.

Archimedes otevřel svůj zákon čistě experimentálně a jeho teoretické ospravedlnění čekalo téměř 2000 let, než Pascal objevil zákon hydrostatiky pro pevnou tekutinu. Podle tohoto zákona se tlak přenáší kapalinou ve všech směrech, bez ohledu na oblast, na níž působí, na všech rovinách ohraničujících kapalinu a její hodnota P je úměrná ploše S a směřuje podél jejího normálu. Pascal objevil a testoval tento zákon o zkušenostech v roce 1653. Podle něj hydrostatický tlak působí na všechny plochy z těla ponořeného do kapaliny.

Předpokládejme, že tělo ve tvaru kostky s okrajem L do hloubky H je ponořeno do nádoby s vodou - vzdálenost od vodní plochy k horní ploše. Dolní okraj je v hloubce H + L. Vek vektoru síly F1 působící na horní plochu směřuje dolů a F1 = r * g * H * S, kde r je hustota kapaliny, g je zrychlení volný pád.

Vek vektoru síly F2 působící na spodní rovinu směřuje směrem vzhůru a její hodnota je určena výrazem F2 = r * g * (H + L) * S.

Vektory sil působící na boční plochy jsou vzájemně vyvážené, a proto jsou v budoucnu vyloučeny z úvahy. Archimedecká síla F2> F1 a je směrována zespoda nahoru a je aplikována na spodní plochu krychle. Definujeme jeho hodnotu F:

F = F2 - F1 = r * g * (H + L) * S - r * g * H * S = r *

Všimněte si, že L * S je objem kosti V, a protože r * g = p je hmotnost jednotky tekutiny, vzorec síly Archimedes určuje hmotnost objemu kapaliny rovnající se objemu krychle, tj. to je jen váha tekutiny přemístěné tělem. Zajímavé je, co říct zákon Archimedes je to možné pouze pro prostředí, kde je gravitační - v nulové gravitaci zákon nefunguje. Konečně vzorec zákona Archimedes má následující formu:

F = p * V, kde p je měrná hmotnost kapaliny.

Archimedecká síla může sloužit jako základ pro analýzu vztlaku těl. Podmínkou pro analýzu je poměr hmotnosti ponořeného tělesa Pm a hmotnosti kapaliny Pg s objemem rovným objemu ponořené části těla. Pokud Pt = Rj, pak tělo vznáší v kapalině, a pokud Ρτ> Рж, pak se tělo potápí. V opačném případě se tělo vynoří, dokud se síla vztlaku rovná hmotnosti vody vytlačené utopenou částí těla.

Archimédův princip a jeho použití má za sebou dlouhou historii v oblasti technologií, počínaje klasickým příkladem využití všech známých a plovoucích zařízení na balóny a vzducholodě. Tady to hrálo roli, že plyn se odkazuje na stav hmoty, který simuluje dost tekutin. Tak, v prostředí vzduchu na jakýkoliv objekt vztlakové síly působící podobný stejný jako v kapalině. První pokusy se provádějí vzduch let balónem se Montgolfier bratři - naplnili balónek s teplým kouřem, takže váha vězeň v balónu byl menší než hmotnost stejného objemu studeného vzduchu. To byl důvod vzhledu zdvihací síla, a jeho hodnota byla určena jako rozdíl v hmotnosti těchto dvou objemů. Dalším zlepšením balónů byl hořák, který plynule zahříval vzduch uvnitř míče. Je zřejmé, že rozsah letu závisel na době trvání hořáku. Později, na vzducholodi, byl pro plnění používán plyn s nižší měrnou hmotností než vzduch.