Ответы@Mail.Ru: Формула Архимедовой силы?
Закон Архимеда формулируется следующим образом [1]: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме тела. Сила называется силой Архимеда:{F}_A = \rho {g} V,
где \rho — плотность жидкости (газа), {g} — ускорение свободного падения, а V — объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности). Если тело плавает на поверхности (равномерно движется вверх или вниз), то выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой) равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма.
Тело плавает, если сила Архимеда уравновешивает силу тяжести тела.
Следует заметить, что тело должно быть полностью окружено жидкостью (либо пересекаться с поверхностью жидкости). Так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара, герметично касаясь дна.
Что касается тела, которое находится в газе, например в воздухе, то для нахождения подъёмной силы нужно заменить плотность жидкости на плотность газа. Например, шарик с гелием летит вверх из-за того, что плотность гелия меньше, чем плотность воздуха.
Закон Архимеда можно объяснить при помощи разности гидростатических давлений на примере прямоугольного тела.
P_B-P_A = \rho g h
F_B-F_A = \rho g h S = \rho g V,
где PA, PB — давления в точках A и B, ρ — плотность жидкости, h — разница уровней между точками A и B, S — площадь горизонтального поперечного сечения тела, V — объём погружённой части тела.
В теоретической физике также применяют закон Архимеда в интегральной форме:
{F}_A = \iint\limits_S{p {dS}},
где S — площадь поверхности, p — давление в произвольной точке, интегрирование производится по всей поверхности тела.
В отсутствие гравитационного поля, то есть в состоянии невесомости, закон Архимеда не работает. Космонавты с этим явлением знакомы достаточно хорошо. В частности, в невесомости отсутствует явление (естественной) конвекции, поэтому, например, воздушное охлаждение и вентиляция жилых отсеков космических аппаратов производятся принудительно, вентиляторами.
otvet.mail.ru
Закон Архимеда
Продолжим изучение архимедовой силы. Проделаем опыты. К коромыслу весов подвесим два одинаковых шара. Их вес одинаков, поэтому коромысло находится в равновесии (рис. «а»). Подставим под правый шар пустой стакан. От этого вес шаров не изменится, поэтому равновесие сохранится (рис. «б»).
Заполним стакан углекислым газом, плотность которого больше плотности воздуха (рис. «в»). Равновесие нарушится, показывая, что вес правого шара стал меньше. Это произошло потому, что на шар в углекислом газе действует большая архимедова сила, чем в воздухе.
Второй опыт. Подвесим к динамометру большую картофелину. Вы видите, что её вес равен 3,5 Н. Погрузим картофелину в воду. Мы обнаружим, что её вес уменьшился и стал равен 0,5 Н.
Вычислим изменение веса картофеля:
DW = 3,5 Н – 0,5 Н = 3 Н
Почему же вес картофеля уменьшился именно на 3 Н? Очевидно потому, что в воде на картофель подействовала выталкивающая сила такой же величины. Другими словами, сила Архимеда равна изменению веса тела:
| Fарх – архимедова сила, Н DWт – изменение веса тела, Н |
Эта формула выражает способ измерения архимедовой силы: нужно дважды измерить вес тела и вычислить его изменение. Полученное значение равно силе Архимеда.
Для вывода следующей формулы проделаем опыт с прибором «ведёрко Архимеда». Основные его части следующие: пружина со стрелкой 1, ведёрко 2, тело 3, отливной сосуд 4, стаканчик 5.
Сначала пружину, ведёрко и тело подвешивают к штативу (рис. «а») и отмечают положение стрелки жёлтой меткой. Затем тело помещают в отливной сосуд. По мере погружения тело вытесняет некоторый объём воды, который сливается в стаканчик (рис. «б»). Вес тела становится меньше, пружина сжимается, и стрелка поднимается выше жёлтой метки.
Перельём воду, вытесненную телом, из стаканчика в ведёрко (рис. «в»). Самое удивительное в том, что когда вода будет перелита (рис «г»), стрелка не просто опустится вниз, а укажет точно на жёлтую метку! Значит, вес влитой в ведёрко воды уравновесил архимедову силу. В виде формулы этот вывод запишется так:
| Fарх – архимедова сила, Н Wж/г – вес вытесненной жидкости или газа, Н |
Обобщая результаты двух опытов, получим закон Архимеда: выталкивающая сила, действующая на тело в жидкости (или газе), равна весу жидкости (газа), взятой в объёме этого тела и направлена противоположно вектору веса.
В § 3-б мы указали, что сила Архимеда обычно направлена вверх. Поскольку она противонаправлена вектору веса, а он не всегда направлен вниз, архимедова сила также не всегда действует вверх. Например, во вращающейся центрифуге в стакане с водой пузырьки воздуха будут всплывать не вверх, а отклоняясь к оси вращения.
questions-physics.ru
Сила Архимеда: формула, понятие
Дата публикации
Гениальный Архимед рос в семье математика, получил прекрасное образование в Александрии и всю жизнь прожил в сицилийском городке Сиракузы. Он стал основателем теоретической механики, успешно работал над задачами нахождения площади поверхности и объема различных фигур и тел. Часто вспоминают его знаменитую фразу «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!» и восклицание «Эврика!», когда он открыл закон, названный позже его именем. Но, кроме того, он был выдающимся ученым в области геометрии и механики, а его инженерные достижения вызывали удивление у современников смелостью замыслов и грандиозностью результатов. Он построил катапульты с высокоприцельным метанием, система его блочно-рычажных механизмов позволяла приподнять корабль над водой, а придуманный им блок солнцеотражающих зеркал сжег римский флот при осаде Сиракуз.
Среди прочих открытий, которые история связывает с именем этого гениального ученого, в физике навсегда осталась сила Архимеда. Это открытие было связано с практической потребностью: требовалось определить честность ювелиров, изготовивших корону для царя Гиерона II. То, что сейчас называется удельным весом, было хорошо известно уже в те времена, но как определить объем такого сложного изделия, было непонятно. Легенда упорно связывает открытие закона Архимеда с принятием ученым ванны. Суть открытия заключается в том, что на тело в жидкости действует выталкивающая сила Архимеда, определение которой составляет предмет особого внимания конструкторов плавательной техники, устройств, работающих в жидкостях, под водой, а также объектов воздухоплавания – воздушных шаров, зондов, дирижаблей и т.д.
Классическая формулировка закона гласит, что сила Архимеда равна весу жидкости, которую вытеснило погруженное в нее тело. Под это определение формула расписывается очень легко: если принять, что объем тела, погруженный в жидкость, равен О, а удельный вес жидкости – p, то их произведение и будет искомая сила Архимеда. Формула для ее вычисления записывается следующим образом:
Фа = р * О
Очень часто возникает соблазн подвергнуть проверке закон Архимеда по отношению к газам – слишком уж сильно отличаются плотности жидкости и газа. Для скептиков есть достаточно простой эксперимент. В боксе с возможностью откачки воздуха разместим на весах большой шар, например, стеклянный, и уравновесим его металлической гирей.
Итак, в воздухе вес шара уравновешен весом гири и можем записать равенство Рш = Рг выполняющееся, т.к. предметы уравновешены. Если изначально предположить, что закон Архимеда справедлив, то на шар и гирю действует сила Архимеда Фш и Фг, и тогда условие равновесия можно переписать иначе:
Рш = Рш1 – Фш и Рг = Рг1 – Фг, где Рш1 и Рг1 вес шара и гири в пустоте. Дальше действуем, как в школе учили: Рш1 – Фш = Рг1 – Фг, откуда Рш1 = Рг1 – Фг + Фш = Рг1 + (Ф ш – Фг).
Дело осталось за малым – необходимо раскрыть содержание выталкивающих сил для шара и гири: Фш = p * Ош и Фг = p * Ог.
Делаем подстановки значений выталкивающих сил в выражение для Рш1.
Рш1 = Рг1 – Фг + Фш = Рг1 + (p * Ош – p * Ог ) = Рг1 + p * (Ош – Ог ).
Окончательно, получаем для веса шара в пустоте выражение, которое, с учетом того, что Ош > Ог, не оставляет сомнений: вес шара в пустоте больше веса гири, хотя в воздухе они и уравновешены: Рш1 = Рг1 + p * (Ош – Ог ) .
Причина такого вывода в том, что сила Архимеда зависит от удельного веса воздуха и объема шара. В нашем случае проверить этот вывод очень просто – нужно откачать воздух из бокса. Если это сделать, то можно удостовериться воочию в том, что закон есть закон, и выполняется он всегда и везде – как в жидкости, так и в газах. Подтверждением этого будет опустившийся, ранее уравновешенный гирей, шар.
Устройством, само существование которого – непрерывная демонстрация закона Архимеда во всех его проявлениях, является подводная лодка. Регулирование веса судна для реализации всех вариантов перемещения при помощи балластных цистерн – яркий пример использования на практике очень древнего открытия в современных условиях.
Опубликовано в Образование и наука
Добавить комментарий
Сила Архимеда
Гениальный Архимед рос в семье математика, получил прекрасное образование в Александрии и всю жизнь прожил в сицилийском городке Сиракузы. Он стал основателем теоретической механики, успешно работал над задачами нахождения площади поверхности и объема различных фигур и тел. Часто вспоминают его знаменитую фразу «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!» и восклицание «Эврика!», когда он открыл закон, названный позже его именем. Но, кроме того, он был выдающимся ученым в области геометрии и механики, а его инженерные достижения вызывали удивление у современников смелостью замыслов и грандиозностью результатов. Он построил катапульты с высокоприцельным метанием, система его блочно-рычажных механизмов позволяла приподнять корабль над водой, а придуманный им блок солнцеотражающих зеркал сжег римский флот при осаде Сиракуз.
Среди прочих открытий, которые история связывает с именем этого гениального ученого, в физике навсегда осталась сила Архимеда. Это открытие было связано с практической потребностью: требовалось определить честность ювелиров, изготовивших корону для царя Гиерона II. То, что сейчас называется удельным весом, было хорошо известно уже в те времена, но как определить объем такого сложного изделия, было непонятно. Легенда упорно связывает открытие закона Архимеда с принятием ученым ванны. Суть открытия заключается в том, что на тело в жидкости действует выталкивающая сила Архимеда, определение которой составляет предмет особого внимания конструкторов плавательной техники, устройств, работающих в жидкостях, под водой, а также объектов воздухоплавания – воздушных шаров, зондов, дирижаблей и т.д.
Классическая формулировка закона гласит, что сила Архимеда равна весу жидкости, которую вытеснило погруженное в нее тело. Под это определение формула расписывается очень легко: если принять, что объем тела, погруженный в жидкость, равен О, а удельный вес жидкости – p, то их произведение и будет искомая сила Архимеда. Формула для ее вычисления записывается следующим образом:
Фа = р * О
Очень часто возникает соблазн подвергнуть проверке закон Архимеда по отношению к газам – слишком уж сильно отличаются плотности жидкости и газа. Для скептиков есть достаточно простой эксперимент. В боксе с возможностью откачки воздуха разместим на весах большой шар, например, стеклянный, и уравновесим его металлической гирей.
Итак, в воздухе вес шара уравновешен весом гири и можем записать равенство Рш = Рг выполняющееся, т.к. предметы уравновешены. Если изначально предположить, что закон Архимеда справедлив, то на шар и гирю действует сила Архимеда Фш и Фг, и тогда условие равновесия можно переписать иначе:
Рш = Рш1 – Фш и Рг = Рг1 – Фг, где Рш1 и Рг1 вес шара и гири в пустоте. Дальше действуем, как в школе учили: Рш1 – Фш = Рг1 – Фг, откуда Рш1 = Рг1 – Фг + Фш = Рг1 + (Ф ш – Фг).
Дело осталось за малым – необходимо раскрыть содержание выталкивающих сил для шара и гири: Фш = p * Ош и Фг = p * Ог.
Делаем подстановки значений выталкивающих сил в выражение для Рш1.
Рш1 = Рг1 – Фг + Фш = Рг1 + (p * Ош – p * Ог ) = Рг1 + p * (Ош – Ог ).
Окончательно, получаем для веса шара в пустоте выражение, которое, с учетом того, что Ош > Ог, не оставляет сомнений: вес шара в пустоте больше веса гири, хотя в воздухе они и уравновешены: Рш1 = Рг1 + p * (Ош – Ог ) .
Причина такого вывода в том, что сила Архимеда зависит от удельного веса воздуха и объема шара. В нашем случае проверить этот вывод очень просто – нужно откачать воздух из бокса. Если это сделать, то можно удостовериться воочию в том, что закон есть закон, и выполняется он всегда и везде – как в жидкости, так и в газах. Подтверждением этого будет опустившийся, ранее уравновешенный гирей, шар.
Устройством, само существование которого – непрерывная демонстрация закона Архимеда во всех его проявлениях, является подводная лодка. Регулирование веса судна для реализации всех вариантов перемещения при помощи балластных цистерн – яркий пример использования на практике очень древнего открытия в современных условиях.
fb.ru