Arkimedes lag är formulerad enligt följande: en kropp nedsänkt i en vätska (eller gas) påverkas av en flytkraft lika med vikten av vätskan (eller gasen) som förskjuts av denna kropp. Kraften kallas av Archimedes kraft:
var är densiteten av vätskan (gasen), är accelerationen fritt fall a är volymen av den nedsänkta kroppen (eller den del av kroppens volym som är belägen under ytan). Om en kropp flyter på ytan eller rör sig jämnt uppåt eller nedåt, är flytkraften (även kallad arkimediska kraften) lika stor (och motsatt i riktning) som tyngdkraften som verkar på volymen av vätska (gas) som förskjuts av kroppen och appliceras på denna volyms tyngdpunkt.
En kropp flyter om Arkimedeskraften balanserar kroppens tyngdkraft.
Det bör noteras att kroppen måste vara helt omgiven av vätska (eller skära med vätskans yta). Så, till exempel, kan Arkimedes lag inte tillämpas på en kub som ligger på botten av en tank och nuddar hermetiskt botten.
När det gäller en kropp som är i en gas, till exempel i luft, för att hitta lyftkraften är det nödvändigt att ersätta vätskans densitet med gasens densitet. Till exempel flyger en heliumballong uppåt på grund av att heliumets densitet är mindre än luftens densitet.
Arkimedes lag kan förklaras med hjälp av skillnaden i hydrostatiskt tryck med hjälp av exemplet med en rektangulär kropp.
Var P A , P B- tryck på punkter A Och B, ρ - vätskedensitet, h- nivåskillnad mellan punkter A Och B, S- horisontell tvärsnittsarea av kroppen, V- volymen av den nedsänkta delen av kroppen.
18. Jämvikt hos en kropp i en vätska i vila
En kropp som är nedsänkt (helt eller delvis) i en vätska upplever ett totalt tryck från vätskan, riktat från botten till toppen och lika med vätskans vikt i volymen av den nedsänkta delen av kroppen. P du är t = ρ och gV Pogr
För en homogen kropp som flyter på ytan är förhållandet sant
Var: V- den flytande kroppens volym; ρ m- kroppstäthet.
Den befintliga teorin om en flytande kropp är ganska omfattande, så vi kommer att begränsa oss till att endast överväga den hydrauliska essensen av denna teori.
Förmågan hos en flytande kropp, avlägsnad från ett jämviktstillstånd, att återvända till detta tillstånd igen kallas stabilitet. Vikten av vätska som tas i volymen av den nedsänkta delen av fartyget kallas förflyttning och appliceringspunkten för det resulterande trycket (dvs tryckets centrum) är förskjutningscentrum. I fartygets normala läge, tyngdpunkten MED och förskjutningscentrum d ligga på samma vertikala linje O"-O", som representerar fartygets symmetriaxel och kallas navigationsaxeln (Fig. 2.5).
Låt under påverkan yttre krafter fartyget lutade i en viss vinkel α, en del av fartyget KLM kom ut ur vätskan och delade K"L"M" tvärtom kastade sig in i det. Samtidigt fick vi en ny tjänst för fördrivningscentrum d". Låt oss tillämpa det på sak d" hiss R och fortsätt linjen för dess handling tills den skär symmetriaxeln O"-O". Fick poäng m kallad metacenter och segmentet mC = h kallad metacentrisk höjd. Vi antar h positiv om punkt m ligger ovanför punkten C, och negativt - annars.
Ris. 2.5. Fartygets tvärprofil
Tänk nu på fartygets jämviktsförhållanden:
1) om h> 0, då återgår fartyget till sin ursprungliga position; 2) om h= 0, då är detta ett fall av indifferent jämvikt; 3) om h<0, то это случай неостойчивого равновесия, при котором продолжается дальнейшее опрокидывание судна.
Följaktligen, ju lägre tyngdpunkten är och ju större den metacentriska höjden är, desto större blir fartygets stabilitet.
Trots de uppenbara skillnaderna i egenskaperna hos vätskor och gaser bestäms deras beteende i många fall av samma parametrar och ekvationer, vilket gör det möjligt att använda en enhetlig metod för att studera egenskaperna hos dessa ämnen.
Inom mekaniken betraktas gaser och vätskor som kontinuerliga medier. Det antas att ett ämnes molekyler är kontinuerligt fördelade i den del av rymden de upptar. I det här fallet beror gasens densitet avsevärt på trycket, medan situationen för en vätska är annorlunda. Vanligtvis, när man löser problem, försummas detta faktum, med hjälp av det generaliserade konceptet av en inkompressibel vätska, vars densitet är enhetlig och konstant.
Definition 1
Tryck definieras som normalkraften $F$ som verkar på vätskans del per ytenhet $S$.
$ρ = \frac(\Delta P)(\Delta S)$.
Anteckning 1
Trycket mäts i pascal. En Pa är lika med en kraft på 1 N som verkar per ytenhet på 1 kvadrat. m.
I ett jämviktstillstånd beskrivs trycket hos en vätska eller gas av Pascals lag, enligt vilken trycket på ytan av en vätska som produceras av yttre krafter överförs av vätskan lika i alla riktningar.
I mekanisk jämvikt är det horisontella vätsketrycket alltid detsamma; därför är den fria ytan av en statisk vätska alltid horisontell (förutom i fall av kontakt med kärlets väggar). Om vi tar hänsyn till tillståndet för vätskans inkompressibilitet, beror densiteten hos mediet i fråga inte på trycket.
Låt oss föreställa oss en viss volym vätska som begränsas av en vertikal cylinder. Låt oss beteckna vätskekolonnens tvärsnitt som $S$, dess höjd som $h$, vätskedensitet som $ρ$ och vikt som $P=ρgSh$. Då är följande sant:
$p = \frac(P)(S) = \frac(ρgSh)(S) = ρgh$,
där $p$ är trycket i botten av kärlet.
Det följer att trycket varierar linjärt med höjden. I det här fallet är $ρgh$ det hydrostatiska trycket, förändringen i vilket förklarar uppkomsten av Arkimedeskraften.
Formulering av Arkimedes lag
Arkimedes lag, en av de grundläggande lagarna för hydrostatik och aerostatik, säger: en kropp nedsänkt i en vätska eller gas påverkas av en flytande eller lyftkraft lika med vikten av volymen vätska eller gas som förskjuts av den del av kropp nedsänkt i vätskan eller gasen.
Anteckning 2
Uppkomsten av den arkimedeiska kraften beror på det faktum att mediet - vätska eller gas - tenderar att uppta utrymmet som tas bort av kroppen nedsänkt i det; i detta fall trycks kroppen ut ur mediet.
Därav det andra namnet för detta fenomen – flytkraft eller hydrostatisk lyft.
Flytkraften beror inte på kroppens form, liksom på kroppens sammansättning och dess övriga egenskaper.
Uppkomsten av arkimedisk kraft beror på skillnaden i miljötryck på olika djup. Till exempel är trycket på de nedre vattenlagren alltid större än på de övre lagren.
Manifestationen av Arkimedes kraft är möjlig endast i närvaro av gravitation. Så, till exempel, på månen kommer flytkraften att vara sex gånger mindre än på jorden för kroppar med lika volymer.
Framväxten av Archimedes' Force
Låt oss föreställa oss vilket flytande medium som helst, till exempel vanligt vatten. Låt oss mentalt välja en godtycklig volym vatten med en sluten yta $S$. Eftersom all vätska är i mekanisk jämvikt är volymen vi har allokerat också statisk. Detta innebär att resultanten och momentet för externa krafter som verkar på denna begränsade volym har nollvärden. Yttre krafter i detta fall är vikten av en begränsad volym vatten och trycket av den omgivande vätskan på den yttre ytan $S$. Det visar sig att den resulterande $F$ av krafterna av hydrostatiskt tryck som upplevs av ytan $S$ är lika med vikten av den vätskevolym som begränsades av ytan $S$. För att det totala momentet av yttre krafter ska försvinna måste den resulterande $F$ riktas uppåt och passera genom den valda vätskevolymens masscentrum.
Låt oss nu beteckna att istället för denna villkorliga begränsade vätska, placerades vilken fast kropp som helst med lämplig volym i mediet. Om villkoret för mekanisk jämvikt är uppfyllt, kommer inga förändringar att ske från omgivningen, inklusive trycket som verkar på ytan $S$ kommer att förbli oförändrat. Så vi kan ge en mer exakt formulering av Arkimedes lag:
Anmärkning 3
Om en kropp som är nedsänkt i en vätska är i mekanisk jämvikt, så verkar flytkraften av hydrostatiskt tryck på den från miljön som omger den, vilket är numeriskt lika med vikten av mediet i den volym som förskjuts av kroppen.
Den flytande kraften riktas uppåt och passerar genom kroppens masscentrum. Så, enligt Arkimedes lag, håller flytkraften:
$F_A = ρgV$, där:
- $V_A$ - flytkraft, H;
- $ρ$ - densitet av vätska eller gas, $kg/m^3$;
- $V$ - volym av en kropp nedsänkt i mediet, $m^3$;
- $g$ - fritt fallacceleration, $m/s^2$.
Den flytande kraften som verkar på kroppen är motsatt i riktning mot tyngdkraften, därför beror beteendet hos den nedsänkta kroppen i mediet på förhållandet mellan gravitationsmodulerna $F_T$ och den arkimedeiska kraften $F_A$. Det finns tre möjliga fall här:
- $F_T$ > $F_A$. Tyngdkraften överstiger flytkraften, därför sjunker/faller kroppen;
- $F_T$ = $F_A$. Tyngdkraften utjämnas med flytkraften, så kroppen "hänger" i vätskan;
- $F_T$
Orsaken till förekomsten av arkimedisk kraft är skillnaden i mediets tryck på olika djup. Därför uppstår Arkimedes kraft endast i närvaro av gravitation. På månen kommer det att vara sex gånger, och på Mars kommer det att vara 2,5 gånger mindre än på jorden.
I tyngdlöshet finns ingen arkimedisk kraft. Om vi föreställer oss att tyngdkraften på jorden plötsligt försvann, kommer alla fartyg i haven, oceanerna och floderna att gå till vilket djup som helst vid minsta tryck. Men vattenytans ytspänning, oberoende av gravitationen, kommer inte att tillåta dem att stiga uppåt, så de kommer inte att kunna lyfta, de kommer alla att drunkna.
Hur visar sig Arkimedes makt?
Storleken på den arkimediska kraften beror på volymen av den nedsänkta kroppen och densiteten hos mediet där den är belägen. Dess exakta definition i moderna termer är följande: en kropp nedsänkt i ett flytande eller gasformigt medium i gravitationsfältet påverkas av en flytkraft som är exakt lika med vikten av mediet som förskjuts av kroppen, det vill säga F = ρgV , där F är Arkimedeskraften; ρ – mediets densitet; g – fritt fallacceleration; V är volymen vätska (gas) som undanträngts av kroppen eller en nedsänkt del av den.
Om det i sötvatten finns en flytkraft på 1 kg (9,81 N) för varje liter volym av en nedsänkt kropp, då i havsvatten, vars densitet är 1,025 kg*kubik. dm kommer Archimedes-kraften på 1 kg 25 g att verka på samma liter volym. Därför är det lättare att simma i havet: föreställ dig att du behöver simma över åtminstone en damm utan ström med en tvåkilos hantel i bältet.
Den arkimedeiska kraften beror inte på formen på den nedsänkta kroppen. Ta en järncylinder och mät dess kraft från vattnet. Rulla sedan ut cylindern till ett ark, sänk ner den platt och kantad i vatten. I alla tre fallen kommer Arkimedes kraft att vara densamma.
Det kan verka konstigt vid första anblicken, men om ett ark är nedsänkt platt kompenseras minskningen av tryckskillnaden för ett tunt ark av en ökning av dess yta vinkelrätt mot vattenytan. Och när den är nedsänkt med en kant, tvärtom, kompenseras det lilla området på kanten av arkets större höjd.
Om vattnet är mycket mättat med salter, vilket gör att dess densitet blir högre än människokroppens densitet, kommer inte ens en person som inte kan simma att drunkna i det. Vid Döda havet i Israel, till exempel, kan turister ligga på vattnet i timmar utan att röra sig. Det är sant att det fortfarande är omöjligt att gå på det - stödområdet är litet, personen faller i vattnet upp till halsen tills vikten av den nedsänkta delen av kroppen är lika med vikten av vattnet som förskjuts av honom. Men om du har en viss fantasi kan du skapa en legend om att gå på vattnet. Men i fotogen, vars densitet bara är 0,815 kg*kubik. dm, även en mycket erfaren simmare kommer inte att kunna hålla sig på ytan.
Arkimedeisk kraft i dynamik
Alla vet att fartyg flyter tack vare Archimedes kraft. Men fiskare vet att arkimedisk kraft också kan användas i dynamik. Om du stöter på en stor och stark fisk (t.ex. taimen), så är det ingen idé att långsamt dra den till nätet (fiska efter den): den bryter av linan och går. Du måste dra lätt först när det går bort. Fisken känner kroken, försöker frigöra sig från den, rusar mot fiskaren. Då måste du dra väldigt hårt och skarpt så att fiskelinan inte hinner gå sönder.
I vatten väger en fisks kropp nästan ingenting, men dess massa och tröghet bevaras. Med denna fiskemetod kommer den arkimedeiska styrkan att tyckas sparka fisken i svansen, och bytet självt kommer att plåga ner vid sportfiskarens fötter eller in i hans båt.
Arkimedes makt i luften
Arkimedes kraft verkar inte bara i vätskor, utan även i gaser. Tack vare henne flyger de Ballonger och luftskepp (zeppelinare). 1 cu. m luft under normala förhållanden (20 grader Celsius vid havsnivån) väger 1,29 kg och 1 kg helium väger 0,21 kg. Det vill säga, 1 kubikmeter av ett fyllt skal är kapabelt att lyfta en last på 1,08 kg. Om skalet har en diameter på 10 m, kommer dess volym att vara 523 kubikmeter. m. Efter att ha gjort det av lätt syntetiskt material får vi en lyftkraft på ungefär ett halvt ton. Aeronauter kallar Archimedes styrka i luftfusionsstyrkan.
Om du pumpar ut luften från ballongen utan att låta den krympa, så kommer varje kubikmeter av den att dra upp hela 1,29 kg. En ökning med mer än 20 % av lyftkraften är tekniskt sett mycket frestande, men helium är dyrt och väte är explosivt. Därför dyker det upp projekt med vakuumluftskepp då och då. Men modern teknik är ännu inte kapabel att skapa material som kan motstå högt (ca 1 kg per kvadratcentimeter) atmosfärstryck utifrån på skalet.
En av de första fysiska lagarna som studerades av studenter gymnasium. Alla vuxna minns åtminstone ungefär denna lag, oavsett hur långt han är från fysiken. Men ibland är det nyttigt att återgå till de exakta definitionerna och formuleringarna – och förstå detaljerna i denna lag som kan ha glömts bort.
Vad säger Arkimedes lag?
Det finns en legend att den antika grekiska vetenskapsmannen upptäckte sin berömda lag när han tog ett bad. Efter att ha störtat ner i en behållare fylld till brädden med vatten, märkte Arkimedes att vattnet stänkte ut - och upplevde en uppenbarelse, som omedelbart formulerade kärnan i upptäckten.
Troligtvis var situationen i verkligheten annorlunda, och upptäckten föregicks av långa observationer. Men detta är inte så viktigt, för i alla fall lyckades Archimedes upptäcka följande mönster:
- att kasta sig in i vilken vätska som helst, kroppar och föremål upplever flera flerriktade krafter samtidigt, men riktade vinkelrätt mot deras yta;
- den slutliga vektorn för dessa krafter är riktad uppåt, så varje föremål eller kropp som befinner sig i en vilande vätska upplever att trycka;
- i detta fall är flytkraften exakt lika med koefficienten som erhålls om produkten av föremålets volym och vätskans densitet multipliceras med accelerationen av fritt fall.
Så, Arkimedes fastställde att en kropp nedsänkt i en vätska förskjuter en volym vätska som är lika med volymen av själva kroppen. Om endast en del av en kropp är nedsänkt i en vätska, kommer den att förskjuta vätskan, vars volym kommer att vara lika med volymen av endast den del som är nedsänkt.
Samma princip gäller för gaser - bara här måste kroppens volym korreleras med gasens densitet.
Kan formuleras fysisk lag och lite enklare - kraften som trycker ut ett föremål ur en vätska eller gas är exakt lika med vikten av vätskan eller gasen som förskjuts av detta föremål under nedsänkningen.
Lagen är skriven i form av följande formel:
Vilken betydelse har Arkimedes lag?
Mönstret som upptäcktes av den antika grekiska vetenskapsmannen är enkelt och helt uppenbart. Men samtidigt dess betydelse för Vardagsliv kan inte överskattas.
Det är tack vare kunskapen om att kroppar knuffas av vätskor och gaser som vi kan bygga flod- och havsfartyg, såväl som luftskepp och ballonger för flygteknik. Tungmetallskepp sjunker inte på grund av att deras design tar hänsyn till Arkimedes lag och många konsekvenser av den - de är byggda så att de kan flyta på vattenytan och inte sjunka. Aeronautics fungerar enligt en liknande princip - de använder luftens flytkraft och blir så att säga lättare under flygningen.
Verkets text läggs upp utan bilder och formler.
Full version arbete är tillgängligt på fliken "Arbetsfiler" i PDF-format
Introduktion
Relevans: Om du tittar närmare på världen omkring dig kan du upptäcka många händelser som händer omkring dig. Sedan urminnes tider har människan varit omgiven av vatten. När vi simmar i den trycker vår kropp upp vissa krafter till ytan. Jag har länge ställt mig frågan: ”Varför flyter eller sjunker kroppar? Drar vatten ut saker?
Min forskning syftar till att fördjupa kunskapen som erhållits i lektionen om arkimedeisk styrka. Svara på frågorna som intresserar mig, med hjälp av livserfarenhet, observationer av den omgivande verkligheten, utför mina egna experiment och förklara deras resultat, vilket kommer att utöka min kunskap om detta ämne. Alla vetenskaper är sammankopplade. Och det gemensamma studieobjektet för alla vetenskaper är människan "plus" naturen. Jag är säker på att studiet av den arkimedeiska styrkans verkan är relevant idag.
Hypotes: Jag antar att man hemma kan beräkna storleken på den flytkraft som verkar på en kropp nedsänkt i en vätska och avgöra om det beror på vätskans egenskaper, kroppens volym och form.
Studieobjekt: Flytkraft i vätskor.
Uppgifter:
Studera historien om upptäckten av den arkimedeiska styrkan;
Studera pedagogisk litteratur om aktionen av den arkimedeiska styrkan;
Utveckla färdigheter i att genomföra oberoende experiment;
Bevisa att värdet på flytkraften beror på vätskans densitet.
Forskningsmetoder:
Forskning;
Beräknad;
Informationssökning;
Observationer
1. Upptäckten av Arkimedes makt
Det finns en berömd legend om hur Arkimedes sprang nerför gatan och ropade "Eureka!" Detta berättar bara historien om hans upptäckt att vattnets flytkraft är lika stor som vikten av vattnet som förskjuts av det, vars volym är lika med volymen av kroppen som är nedsänkt i den. Denna upptäckt kallas Arkimedes lag.
På 300-talet f.Kr. bodde Hiero, kungen av den antika grekiska staden Syrakusa, och han ville göra sig en ny krona av rent guld. Jag mätte den exakt efter behov och gav ordern till juveleraren. En månad senare lämnade mästaren tillbaka guldet i form av en krona och det vägde lika mycket som massan av det givna guldet. Men vad som helst kan hända, och mästaren kunde ha fuskat genom att lägga till silver eller, ännu värre, koppar, eftersom du inte kan se skillnaden med ögat, men massan är vad den borde vara. Och kungen vill veta: gjordes arbetet ärligt? Och sedan bad han vetenskapsmannen Archimedes att kontrollera om mästaren gjorde sin krona av rent guld. Som bekant är massan av en kropp lika med produkten av densiteten av det ämne som kroppen är gjord av och dess volym: . Om olika kroppar har samma massa, men de är gjorda av olika ämnen, kommer de att ha olika volymer. Om mästaren hade återlämnat till kungen inte en smyckestillverkad krona, vars volym är omöjlig att bestämma på grund av dess komplexitet, utan en metallbit av samma form som kungen gav honom, så skulle det ha varit klart om han hade blandat in en annan metall i den eller inte. Och när han tog ett bad märkte Arkimedes att det rann vatten ur den. Han misstänkte att det hällde ut i exakt samma volym som volymen som upptogs av hans kroppsdelar nedsänkta i vatten. Och det gick upp för Arkimedes att kronans volym kan bestämmas av volymen vatten som tränger undan av den. Tja, om du kan mäta kronans volym, så kan den jämföras med volymen av ett guldstycke med samma massa. Arkimedes sänkte ner kronan i vatten och mätte hur vattenvolymen ökade. Han doppade också ett guldstycke i vatten, vars massa var densamma som kronans. Och sedan mätte han hur vattenvolymen ökade. Mängden vatten som förträngdes i de två fallen visade sig vara olika. Således avslöjades mästaren som en bedragare, och vetenskapen berikades med en anmärkningsvärd upptäckt.
Det är känt från historien att problemet med den gyllene kronan fick Arkimedes att studera frågan om kroppars flytande. Experimenten som Arkimedes utförde beskrevs i essän "Om flytande kroppar", som har kommit till oss. Den sjunde meningen (satsen) i detta arbete formulerades av Arkimedes på följande sätt: kroppar som är tyngre än vätskan, nedsänkta i denna vätska, kommer att sjunka tills de når botten, och i vätskan blir de lättare av vätskans vikt i en volym lika med volymen av den nedsänkta kroppen.
Det är intressant att Arkimedeskraften är noll när en kropp nedsänkt i en vätska pressas hårt mot botten med hela basen.
Upptäckten av hydrostatikens grundläggande lag är den antika vetenskapens största bedrift.
2. Formulering och förklaring av Arkimedes lag
Arkimedes lag beskriver effekten av vätskor och gaser på en kropp nedsänkt i dem, och är en av huvudlagarna för hydrostatik och gasstatik.
Arkimedes lag är formulerad enligt följande: en kropp nedsänkt i en vätska (eller gas) påverkas av en flytkraft lika med vätskans (eller gasens) vikt i volymen av den nedsänkta delen av kroppen - denna kraft är kallad av Archimedes kraft:
,
var är densiteten av vätskan (gasen), är tyngdaccelerationen, är volymen av den nedsänkta delen av kroppen (eller den del av kroppens volym som ligger under ytan).
Följaktligen beror den arkimediska kraften endast på densiteten hos vätskan i vilken kroppen är nedsänkt och på volymen av denna kropp. Men det beror till exempel inte på densiteten av ämnet i en kropp nedsänkt i en vätska, eftersom denna mängd inte ingår i den resulterande formeln.
Det bör noteras att kroppen måste vara helt omgiven av vätska (eller skära med vätskans yta). Så, till exempel, kan Arkimedes lag inte tillämpas på en kub som ligger på botten av en tank och nuddar hermetiskt botten.
3. Definition av Arkimedes styrka
Kraften med vilken en kropp i en vätska trycks av den kan bestämmas experimentellt med denna enhet:
Vi hänger en liten hink och en cylindrisk kropp på en fjäder monterad på ett stativ. Vi markerar fjädersträckan med en pil på ett stativ, som visar kroppens vikt i luften. Efter att ha lyft kroppen placerar vi ett glas med ett dräneringsrör under det, fyllt med vätska till nivån på dräneringsröret. Därefter sänks kroppen helt i vätska. I detta fall hälls en del av vätskan, vars volym är lika med kroppens volym, från gjutkärlet i glaset. Fjäderpekaren stiger och fjädern drar ihop sig, vilket indikerar en minskning av kroppsvikten i vätskan. I det här fallet, tillsammans med tyngdkraften, påverkas kroppen också av en kraft som trycker ut den ur vätskan. Om vätska från ett glas hälls i hinken (dvs vätskan som förträngdes av kroppen), kommer fjäderpekaren att återgå till sitt ursprungliga läge.
Baserat på detta experiment kan vi dra slutsatsen att kraften som trycker ut en kropp helt nedsänkt i en vätska är lika med vikten av vätskan i denna kropps volym. Beroendet av tryck i en vätska (gas) av nedsänkningsdjupet av en kropp leder till uppkomsten av en flytande kraft (Archimedes kraft) som verkar på varje kropp som är nedsänkt i en vätska eller gas. När en kropp dyker rör sig den nedåt under påverkan av gravitationen. Den arkimedeiska kraften är alltid riktad motsatt tyngdkraften, därför är vikten av en kropp i en vätska eller gas alltid mindre än vikten av denna kropp i ett vakuum.
Detta experiment bekräftar att den arkimedeiska kraften är lika med vikten av vätskan i kroppens volym.
4. Skick på flytande kroppar
En kropp som ligger inuti en vätska påverkas av två krafter: tyngdkraften, riktad vertikalt nedåt, och den arkimedeiska kraften, riktad vertikalt uppåt. Låt oss överväga vad som kommer att hända med kroppen under påverkan av dessa krafter om den först var orörlig.
I det här fallet är tre fall möjliga:
1) Om tyngdkraften är större än den arkimedeiska kraften, går kroppen ner, det vill säga den sjunker:
, då drunknar kroppen;
2) Om gravitationsmodulen lika med modul Arkimedisk kraft, då kan kroppen vara i jämvikt inuti vätskan på vilket djup som helst:
, då flyter kroppen;
3) Om den arkimedeiska kraften är större än tyngdkraften, kommer kroppen att stiga från vätskan - flyta:
, sedan flyter kroppen.
Om en flytande kropp delvis sticker ut över vätskans yta, är volymen av den nedsänkta delen av den flytande kroppen sådan att vikten av den undanträngda vätskan är lika med vikten av den flytande kroppen.
Arkimedeisk kraft är större än gravitationen om vätskans densitet är större än densiteten hos kroppen nedsänkt i vätskan, om
1) =— en kropp flyter i en vätska eller gas, 2) >-kroppen drunknar, 3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
Det är dessa principer för förhållandet mellan gravitation och Arkimedes kraft som används inom sjöfarten. Men stora flod- och havsfartyg gjorda av stål, vars densitet är nästan 8 gånger större än vattentätheten, flyter på vattnet. Detta förklaras av det faktum att endast ett relativt tunt skrov på fartyget är tillverkat av stål, och det mesta av dess volym upptas av luft. Den genomsnittliga densiteten hos fartyget i detta fall visar sig vara betydligt mindre än vattentätheten; därför sjunker den inte bara, utan kan också ta emot en stor mängd last för transport. Fartyg som navigerar i floder, sjöar, hav och hav är byggda av olika material med olika densitet. Fartygsskrovet är vanligtvis tillverkat av stålplåt. Alla invändiga fästen som ger fartyg styrka är också gjorda av metall. För att bygga fartyg används olika material, som har både högre och lägre densitet jämfört med vatten. Vikten av vatten som förskjuts av fartygets undervattensdel är lika med vikten av fartyget med lasten i luften eller tyngdkraften som verkar på fartyget med lasten.
För flygteknik användes först ballonger, som tidigare var fyllda med uppvärmd luft, nu med väte eller helium. För att bollen ska kunna stiga upp i luften är det nödvändigt att den arkimedeiska kraften (flytkraften) som verkar på bollen är större än tyngdkraften.
5. Genomförande av experimentet
Undersök beteendet hos ett rått ägg i olika typer av vätskor.
Mål: att bevisa att flytkraftens värde beror på vätskans densitet.
Jag tog ett rått ägg och olika typer av vätskor (bilaga 1):
Vattnet är rent;
Vatten mättat med salt;
Solrosolja.
Först sänkte jag det råa ägget i rent vatten - ägget sjönk - "sänkte till botten" (bilaga 2). Sedan tillsatte jag en matsked matsalt i ett glas rent vatten, som ett resultat av att ägget flyter (bilaga 3). Och till sist sänkte jag ner ägget i ett glas med solrosolja - ägget sjönk till botten (bilaga 4).
Slutsats: i det första fallet är äggets densitet större än vattentätheten och därför sjönk ägget. I det andra fallet är saltvattnets densitet större än äggets densitet, så ägget flyter i vätskan. I det tredje fallet är äggets densitet också större än solrosoljans densitet, så ägget sjönk. Därför, ju större densitet vätskan har, desto mindre blir tyngdkraften.
2. Verkan av arkimedesk kraft på människokroppen i vatten.
Bestäm människokroppens densitet experimentellt, jämför den med tätheten av sötvatten och havsvatten och dra en slutsats om den grundläggande förmågan hos en person att simma;
Beräkna vikten av en person i luften och den arkimedeiska kraften som verkar på en person i vatten.
Först mätte jag min kroppsvikt med hjälp av en våg. Sedan mätte han kroppens volym (utan huvudets volym). För att göra detta hällde jag tillräckligt med vatten i badet så att jag var helt nedsänkt när jag sänkte mig i vattnet (förutom mitt huvud). Sedan, med hjälp av en centimetertejp, markerade jag avståndet från den övre kanten av badet till vattennivån ℓ 1, och sedan när jag var nedsänkt i vatten ℓ 2. Efter det, med hjälp av en förutgraderad tre-liters burk, började jag hälla vatten i badet från nivå ℓ 1 till nivå ℓ 2 - så här mätte jag volymen vatten jag förträngde (bilaga 5). Jag beräknade densiteten med formeln:
Tyngdkraften som verkar på en kropp i luften beräknades med formeln: , där är accelerationen av fritt fall ≈ 10. Värdet på flytkraften beräknades med hjälp av formeln som beskrivs i punkt 2.
Slutsats: Människokroppen är tätare än sötvatten, vilket betyder att den drunknar i den. Det är lättare för en person att simma i havet än i en flod, eftersom densiteten av havsvatten är större, och därför är flytkraften större.
Slutsats
Under arbetet med detta ämne lärde vi oss många nya och intressanta saker. Omfånget av vår kunskap har ökat inte bara i handlingsfältet för Arkimedes makt, utan också i dess tillämpning i livet. Innan vi började arbeta hade vi en långt ifrån detaljerad uppfattning om det. Under experimenten bekräftade vi experimentellt giltigheten av Arkimedes lag och upptäckte att flytkraften beror på kroppens volym och vätskans densitet ju högre densitet vätskan har, desto större blir den arkimedeiska kraften. Den resulterande kraften, som bestämmer en kropps beteende i en vätska, beror på kroppens massa, volym och vätskans densitet.
Utöver de utförda experimenten studerades ytterligare litteratur om upptäckten av Arkimedes styrka, om flytande av kroppar och flygteknik.
Var och en av er kan göra fantastiska upptäckter, och för detta behöver ni inte ha någon speciell kunskap eller kraftfull utrustning. Vi behöver bara titta lite mer noggrant på världen omkring oss, vara lite mer oberoende i våra bedömningar, och upptäckter kommer inte att låta dig vänta. De flesta människors ovilja att utforska världen omkring dem lämnar ett stort utrymme för nyfikna på de mest oväntade platserna.
Bibliografi
1. Stor bok med experiment för skolbarn - M.: Rosman, 2009. - 264 sid.
2. Wikipedia: https://ru.wikipedia.org/wiki/Archimedes_Law.
3. Perelman Ya.I. Underhållande fysik. - bok 1. - Ekaterinburg.: Thesis, 1994.
4. Perelman Ya.I. Underhållande fysik. - bok 2. - Jekaterinburg.: Thesis, 1994.
5. Peryshkin A.V. Fysik: årskurs 7: lärobok för läroanstalter / A.V. Peryshkin. - 16:e upplagan, stereotyp. - M.: Bustard, 2013. - 192 s.: ill.
Bilaga 1
Bilaga 2
Bilaga 3
Bilaga 4
Liknande artiklar
