Flotabilitatea este forța care permite bărcilor și bilelor de plajă să plutească pe apă. Termenul forta flotanta se referă la forța orientată în sus pe care un fluid (fie un lichid, fie un gaz) o exercită asupra unui obiect care este parțial sau complet imersat în fluid. Forța remarcabilă explică și de ce putem ridica obiectele sub apă mai ușor decât pe uscat.
Cheltuieli cheie: Forță avansată
- Termenul de forță flotantă se referă la forța orientată în sus pe care un fluid o exercită asupra unui obiect care este parțial sau complet imersat în fluid.
- Forța flotantă apare din diferențele de presiune hidrostatică - presiunea exercitată de un fluid static.
- Principiul Arhimede afirmă că forța flotantă exercitată asupra unui obiect care este scufundat parțial sau complet într-un fluid este egală cu greutatea fluidului care este deplasat de obiect.
Momentul Eureka: prima observație a flotabilității
Potrivit arhitectului roman Vitruvius, matematicianul și filozoful grec Arhimede prima descoperire flotabilitate în secolul al III-lea
Î.Hr. în timp ce se confunda cu o problemă pe care i-a pus-o regele Hiero al II-lea din Syracuse. Regele Hiero bănuia că coroana sa de aur, realizată în formă de coroană, nu era de fapt făcută din aur pur, ci mai degrabă dintr-un amestec de aur și argint.Se presupune că, în timp ce făcea o baie, Arhimede a observat că, cu cât s-a scufundat în cadă, cu atât mai multă apă curgea din ea. Și-a dat seama că acesta era răspunsul la situația sa și s-a repezit acasă în timp ce striga „Eureka!” („Am găsit-o!”) A făcut apoi două obiecte - un aur și un argint - care aveau aceeași greutate ca coroana și le-a aruncat pe fiecare într-un vas umplut până la capăt apă.
Arhimede a observat că masa de argint a făcut să curgă mai multă apă din vas decât cea de aur. În continuare, el a observat că coroana sa „de aur” a făcut să curgă mai multă apă din vas decât obiectul de aur pur pe care îl crease, chiar dacă cele două coroane aveau aceeași greutate. Astfel, Arhimede a demonstrat că coroana sa conținea într-adevăr argint.
Deși această poveste ilustrează principiul flotabilității, poate fi o legendă. Arhimede nu a scris niciodată povestea în sine. În plus, în practică, dacă s-ar schimba într-adevăr o cantitate mică de argint pentru aur, cantitatea de apă deplasată ar fi prea mică pentru a se măsura în mod fiabil.
Înainte de descoperirea flotabilității, se credea că forma unui obiect determina dacă va pluti sau nu.
Flotabilitate și presiune hidrostatică
Forța flotantă apare din diferențele din presiune hidrostatica - presiunea exercitată de a fluid fluid. O bilă care este plasată mai sus într-un fluid va avea o presiune mai mică decât aceeași bilă plasată mai jos. Acest lucru se datorează faptului că există mai mult fluid și, prin urmare, mai multă greutate, care acționează asupra mingii atunci când este mai adânc în fluid.
Astfel, presiunea din vârful unui obiect este mai slabă decât presiunea din partea de jos. Presiunea poate fi convertită în forță folosind formula Forță = presiune x suprafață. Există o plasă forta arătând în sus. Această forță netă - care se îndreaptă în sus indiferent de forma obiectului - este forța de flotabilitate.
Presiunea hidrostatică este dată de P = rgh, unde r este densitate din fluid, g este accelerație datorată gravitației, iar h este adâncime în interiorul fluidului. Presiunea hidrostatică nu depinde de forma fluidului.
Principiul Arhimede
Principiul Arhimede afirmă că forța flotantă exercitată asupra unui obiect care este scufundat parțial sau complet într-un fluid este egală cu greutatea fluidului care este deplasat de obiect.
Aceasta este exprimată prin formula F = rgV, unde r este densitatea fluidului, g este accelerația datorată gravitației, iar V este volumul de fluid care este deplasat de obiect. V este egal cu volumul obiectului numai dacă este complet scufundat.
Forța flotantă este o forță ascendentă care se opune forței descendente a gravitației. Mărimea forței flotante determină dacă un obiect se va scufunda, va pluti sau se va ridica atunci când este scufundat într-un fluid.
- Un obiect se va scufunda dacă forța gravitațională care acționează asupra acesteia este mai mare decât forța flotantă.
- Un obiect va pluti dacă forța gravitațională care acționează asupra acestuia este egală cu forța flotantă.
- Un obiect va crește dacă forța gravitațională care acționează asupra acestuia este mai mică decât forța flotantă.
Din formulă se pot extrage și alte câteva observații.
- Obiectele scufundate care au volume egale vor deplasa aceeași cantitate de fluid și vor experimenta aceeași mărime a forței flotante, chiar dacă obiectele sunt fabricate din materiale diferite. Cu toate acestea, aceste obiecte vor diferi în greutate și vor pluti, se vor ridica sau se vor scufunda.
- Aerul, care are o densitate de aproximativ 800 de ori mai mică decât apa, va avea o forță flotantă mult mai mică decât apa.
Exemplul 1: Un cub parțial imersat
Un cub cu un volum de 2,0 cm3 este scufundat pe jumătate în apă. Care este forța flotantă experimentată de cub?
- Știm că F = rgV.
- r = densitatea apei = 1000 kg / m3
- g = accelerație gravitațională = 9,8 m / s2
- V = jumătate din volumul cubului = 1,0 cm3 = 1.0*10-6 m3
- Astfel, F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 10-6 m3 = .0098 (kg * m) / s2 = .0098 Newton.
Exemplul 2: Un cub cu totul imersat
Un cub cu un volum de 2,0 cm3 este scufundat complet în apă. Care este forța flotantă experimentată de cub?
- Știm că F = rgV.
- r = densitatea apei = 1000 kg / m3
- g = accelerație gravitațională = 9,8 m / s2
- V = volumul cubului = 2,0 cm3 = 2.0*10-6 m3
- Astfel, F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 2,0 * 10-6 m3 = .0196 (kg * m) / s2 = .0196 Newton.
surse
- Biello, David. „Fapt sau ficțiune?: Arhimede a inventat termenul„ Eureka! ”În baie.” Științific american, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
- „Densitate, temperatură și salinitate.” Universitatea din Hawaii, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
- Rorres, Chris. „Coroana de Aur: introducere.” Universitatea de Stat din New York, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.