Чем можно измерить силу архимеда

Сила Архимеда

Сила Архимеда — выталкивающая сила, которая действует на погруженное в жидкость (или газ) тело. При этом объём вытесненной жидкости будет равен объёму погруженного тела (или части тела).

Закон Архимеда — вес, который теряет погруженное в жидкость тело, равен весу вытесненной им жидкости.

Эта сила равна весу вытесненного объёма жидкости и действует в направлении, противоположном весу погруженного тела.

Примером силы Архимеда из жизни можно считать ощущение некой невесомости в воде, которое мы чувствуем, когда купаемся (в ванне или озере).

Сила Архимеда (выталкивающая сила) зависит от:

  • плотности жидкости (p),
  • ускорения свободного падения (g),
  • объёма погруженного тела (V).

Согласно легенде, древнегреческий учёный и философ Архимед воскликнул «Эврика!» («Я нашёл!») именно в тот момент, когда открыл этот закон.

Сила Архимеда — это векторная величина и измеряется в ньютонах (Н). Ньютон — это интенсивность силы, приложенная к предмету массой 1 кг, при ускорении 1 метр в секунду в секунду (1 м/с²). Ньютоны обозначаются как «Н», и 1 Н = 1 кг·м/с². Вообще сила — это мера взаимодействия тел, которая измеряется в ньютонах.

Формула силы Архимеда

Можно рассчитать силу Архимеда, которая действует на тело, погруженное в жидкость или газ, по формуле:

В ёмкости находится жидкость плотностью 2,58 г/см³. Внутри жидкости находится полностью погруженное тело объёмом 1000 см³. Учитывая, что ускорение свободного падения равно 10 м/с², чему равна выталкивающая сила?

Как узнать, утонет тело или останется на поверхности?

Сила выталкивания не зависит от плотности тела, но это можно использовать, чтобы узнать, будет ли тело плавать на поверхности жидкости, утонет или останется в равновесии. Если:

  • плотность тела тело плавает на поверхности,
  • плотность тела = плотность жидкости = > тело остаётся в равновесии с жидкостью,
  • плотность тела > плотность жидкости = > тело утонет.

Сила Архимеда и сила тяжести

На тело в жидкости всегда действуют сила тяжести (m × g), сила Архимеда (Fa), могут присутствовать и другие силы (сила упругости, сила натяжения).

Источник

Архимедова сила: как рассчитывается, обозначение, где используется

История открытия

Сила Архимеда названа по имени ученого, который и сформулировал закон. Древнегреческий мыслитель сделал открытие случайно. Градоначальник Сиракуз Гирон попросил ученого проверить, не обманывает ли его мастер, изготовивший золотую корону. Чиновник заподозрил, что драгоценный металл в изделии был заменен на другой. Архимед понимал, что равный короне по массе кусок золота должен был соответствовать ей и по объему. Но как должен измеряться объем твердого тела?

Решение было найдено, когда ученый обнаружил интересную зависимость: если опустить предмет в воду, то объем выплеснутой воды будет равен объему предмета. Таким образом Архимед смог сравнить величину золотой короны и исходного куска золота. Мастера уличили в нечестности, а древнегреческий философ обосновал закон о силе, которая выталкивает тела из воды.

Архимедова сила — сила, направленная противоположно силе земного притяжения, когда тело находится в жидкости или газе.

Формула закона Архимеда

Закон определяет связь между весом тела, погруженного в жидкость или газ, и силой, которая его выталкивает. Согласно ему, подъемная сила зависит от веса погруженного тела или силы тяжести, действующей на него.

Силу Архимеда следует рассчитывать по формуле: FА = pжgVт

P — плотность жидкости

g — ускорение свободного падения

V — объем тела

Выталкивающая сила (FА) всегда действует противоположно силе притяжения (Fт). Поэтому тело выплывает из воды или газа на поверхность. Нахождение тела в жидкости зависит от нескольких параметров. Чем больше плотность жидкости, тем сильнее она вытесняет тело. То же самое касается и объема — меньшее тело утонет гораздо быстрее, чем тело большего объема. Пример: железный гвоздь утонет, а большое судно плавает на поверхности воды.

V — обозначение объема только погруженной части тела.

Если сила тяжести равна силе Архимеда, тело плавает на поверхности. Если притяжение будет превосходить архимедову силу, тело утонет. Единицей измерения при расчете подъемной силы является ньютон.

Применение архимедовой силы

Человек чувствует силу Архимеда в действии, когда занимается плаванием. Все предметы в воде становятся легче, так как на них действует архимедова сила.

Закон Архимеда широко применяется на практике в ряде систем. В первую очередь открытие позволило конструировать корабли, не опасаясь того, что они утонут. Проведя необходимые вычисления, инженеры строят суда таким образом, чтобы они вытесняли массу воды, равную или превосходящую вес корабля. Для этого объем погружающейся части корабля делают таким, что на него будет действовать выталкивающая сила, большая по величине или равная весу судна.

Другая область применения подъемной силы — воздухоплавание. Гелий, которым заполняются воздушные шары, имеет низкую плотность, по сравнению с кислородом. Сам шар вытесняет определенное количество воздуха из атмосферы. Начинает действовать выталкивающая сила, поднимающая шар высоко в небо.

Уменьшить плотность воздуха можно с помощью увеличения его температуры. Поэтому многие воздушные шары оборудованы специальными горелками. Чтобы поднять такой шар, нужно постоянно нагревать воздух внутри него.

Источник

Архимедова сила: что это такое и как действует

Рассказываем, почему железные корабли не тонут, а воздушные шары летают, что такое «эврика» и при чём здесь Дональд Дак.

Гениальный учёный Архимед, живший в древнегреческих Сиракузах в III веке до нашей эры, прославился среди современников как создатель оборонительных машин, способных перевернуть боевой корабль. Другое его изобретение, «Архимедов винт», по сей день остаётся важнейшей деталью гигантских буровых установок и кухонных мясорубок. Мир обязан Архимеду революционными открытиями в области оптики, математики и механики.

Его личность окутана легендами, порой весьма забавными. С одной из них мы и начнём нашу статью.

«Эврика!». Открытие закона Архимеда

Однажды царь Сиракуз Гиерон II обратился к Архимеду с просьбой установить, действительно ли его корона выполнена из чистого золота, как утверждал ювелир. Правитель подозревал, что мастер прикарманил часть драгоценного металла и частично заменил его серебром.

В те времена не существовало способов определить химический состав металлического сплава. Задача поставила учёного в тупик. Размышляя над ней, он отправился в баню и лёг в ванну, до краёв наполненную водой. Когда часть воды вылилась наружу, на Архимеда снизошло озарение. Такое, что учёный голышом выскочил на улицу и закричал «Эврика!», что по-древнегречески означает «Нашёл!».

Он предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

Эта выталкивающая сила и называется силой Архимеда.

Формула силы Архимеда

На любой объект, погружённый в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Разница будет равна весу вытесненной воды.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Выталкивающая сила зависит от трёх факторов:

  • плотности жидкости или газа (p);
  • ускорения свободного падения (g);
  • объёма погружённой части тела (V).

Сопоставив эти данные, получаем формулу:

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно.

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет.

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь.

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу.

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола.

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

Сила Архимеда в газах: почему летают дирижабли

В воздухе архимедова сила действует так же, как в жидкости. Но поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается ничтожно мала.

Впрочем, есть исключения. Воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх именно потому, что плотность гелия ниже, чем плотность воздуха. А если наполнить шар обычным воздухом — он упадёт на землю. Плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика.

Этот принцип используется в аэростатах — воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом (чем горячее воздух, тем ниже его плотность), чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. На них действует та же выталкивающая сила, что и на подводные лодки. Именно поэтому перемещения на аэростатах называют воздухоплаванием.

Источник

Закон Архимеда, или Как распознать ложь?

Придворный ювелир изготовил для царя Гиерона золотую корону. Но царь, который не привык никому доверять, попросил Архимеда определить, золотая ли корона на самом деле, или золотых дел мастер подворовывает и подмешал к золоту львиную долю серебра.

Из статьи вы узнаете, сумел ли Архимед вывести лжеца на чистую воду? И что же открыл изобретатель благодаря своим опытам?

История открытия

В древних Сиракузах жил инженер, математик и физик по имени Архимед. Образование он получил отличное, изобретения его ценились и в средствах он не нуждался. И периодически к нему обращались сильные мира для решения всяких сложных задач. И одной из таких задач было определить подлинность короны царя Гиерона.

Казалось бы, что в этом сложного?

Раздели mт массу слитка, что был выдан ювелиру на объем короны Vт, получишь плотность короны ρт. Сравни полученный результат с известной плотностью золота, и дело в шляпе. А ювелир получит либо плату за работу, либо близкое знакомство с придворным палачом.

Однако эта формула хорошо работает с объектами простой формы: шар, куб, параллелепипед. А мы то помним, что исследуем корону, у которой множество зубцов, выпуклостей и ажурных плетений.

Как можно определить объем предмета столь сложной формы? Не знаете? Вот и Архимед тоже не знал.

Долгое время ученый думал над задачей, и в один из дней, в задумчивости опускаясь в наполненную водой ванну, обратил внимание, что часть воды выплеснулась через край. Современники рассказывают, что именно в этот момент Архимед закричал: «Эврика!», что по-гречески значит «Нашел!» и, даже не одеваясь, побежал в царский дворец.

Еще пару дней понадобилось исследователю, чтобы изобрести прибор, с помощью которого он мог бы измерить объем воды, вылившейся при погружении короны. Этот прибор, названный впоследствии ведерком Архимеда, можно увидеть на странице 145 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Затем, с помощью опытов с золотыми и серебряными слитками, доказать, что объем жидкости равен объему слитка, а следовательно будет равен и объему короны. И последним этапом определить плотность короны.

Говорят, что царь был прав в своих подозрениях, и ювелир был нечист на руку. А всю плату, что причиталась за корону мастеру, получил Архимед.

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

Что же открыл Архимед благодаря своим опытам?

Ученый определил некую силу, которая действую в обратном направлении силе притяжения и позволяет предметам плавать в воде и воздухе. Эту силу по праву назвали силой Архимеда или выталкивающей силой.

Определение закона Архимеда: тело погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

Формулы

На планете Земля на все предметы действует сила земного притяжения. Для объектов на земной поверхности силу притяжения можно рассчитать по формуле:

где mт — масса тела, а g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с 2 .

Когда же объект погружается в жидкость или газ, на него начинает действовать выталкивающая сила или сила Архимеда, которая рассчитывается по формуле:

где mж — масса жидкости, вытесненной целым объектом или его частью, находящейся в жидкости.

Массу вытесненной жидкости в свою очередь можно определить используя формулу:

и соответственно преобразовать формулу закона Архимеда:

Как же соотносятся между собой сила тяжести и сила выталкивания. Все просто:

  • если сила притяжения больше силы выталкивания, предмет утонет;
  • если силы примерно равны — предмет будет плавать в толще жидкости или газа;
  • а если сила выталкивания больше силы притяжения, предмет всплывет.

Многочисленные опыты, благодаря которым мы можем пользоваться формулами силы выталкивания, подробно разобраны в § 50 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Несмотря на то, что Архимед впервые открыл силу выталкивания в воде, сила Архимеда характерна также и для газов, и именно благодаря ей смог подняться в воздух первый воздушный шар, а вдохновленный и восхищенный этим событием писатель Жюль Верн написал свой роман «Вокруг света за 80 дней».

А теперь давайте поможем царю решить его задачу с короной.

Предположим, что корона царя Гиерона в воздухе весит 22 Н, а в воде 19,75 Н, вычислите плотность вещества короны.

Как мы узнали в начале статьи, плотность вещества находится по формуле:

Глядя на формулу, понимаем, что для решения задачи нам не известны ни масса короны, ни ее объем.

Из предыдущего курса физики (§ 27 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.), помним, что для неподвижного тела вес P равен силе тяжести Fт и рассчитывается по формуле:

где g — ускорение свободного падения и его значение равно g = 9,8 Н/кг. Однако, если не требуется большая точность в расчетах, значение можно округлить до 10 Н/кг

Зная вес короны в воздухе, мы используя формулу (2) можем найти массу короны.

Мы также знаем, что вес тела в воде отличается от веса тела в воздухе на силу Архимеда.

где ρж = ρводы = 1000 кг/м 3

Из нее находим объем вытесненной жидкости и соответственно объем короны

Остается финальный штрих: рассчитать плотность.

ρт = 2,2 кг / 0,000225 м 3 = 9778 кг/м 3 или 9,8 г/см 3

Зная, что плотность золота 19,3 г/см 3 или 19 300 кг/м 3 , можем сказать, что корона царя Гиерона сделана из какого-то сплава, но не из чистого золота. Увы, царь был прав, подозревая мастера в нечестности. И мне даже немного жаль нерадивого ювелира. Ведь никто не любит, когда воруют его собственность, а цари особенно.

Теперь попробуйте самостоятельно решить задачу № 5 на странице 147 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Методические советы

Тест «Закон Архимеда»

1. Сила Архимеда это:

  • сила, с которой Архимед передвигал ванну;
  • сила, которая поднимает вверх тело находящееся в жидкости или газе; (+)
  • сила мышц Архимеда;
  • сила, с которой твердое тело действует на поверхность.

2. Сила Архимеда действует:

  • на тела погруженные только в газ;
  • на тела погруженные только в жидкость;
  • на тела погруженные в газ или в жидкость; (+)
  • на тела находящиеся в невесомости.

3. Чему равно ускорение свободного падения g?

4. К пружине подвешено некое тело. Если тело погрузить в емкость с жидкостью, что произойдет с пружиной?

  • растянется больше;
  • сожмется; (+)
  • не изменится;
  • зависит от веса тела.

5. Два друга пошли плавать в реке. Один из них при погружении вытесняет объем 60 дм 3 , второй 40 дм 3 . На кого из ребят будет действовать большая сила Архимеда?

  • на того, кто лучше умеет плавать;
  • на того, кто вытеснил больше воды; (+)
  • на того, то не умеет плавать;
  • на того, кто вытеснил меньше воды.

6. Формула силы выталкивания это:

7. Если сила тяжести больше силы Архимеда, тело:

8. 4 одинаковых стальных шарика погрузили в 4 разные жидкости: чистая вода, вода мертвого моря, бензин, оливковое масло. В какой жидкости сила выталкивания будет наименьшей?

Плотность масла 915 кг/м 3 , плотность бензина 750 кг/м 3 .

  • бензин; (+)
  • вода Мертвого моря;
  • оливковое масло;
  • чистая вода.

9. Сила тяжести зависит:

  • от плотности жидкости;
  • от вытесненного объема жидкости;
  • от массы тела; +
  • от времени нахождения тела в жидкости.

10. В двух емкостях плавают два шарика равного объема. Одинакова ли сила выталкивания?

  • одинакова, т.к. объем шариков одинаков;
  • сила выталкивания больше в емкости с керосином, потому что плотность меньше воды;
  • сила выталкивания больше в емкости с водой, потому что ее плотность больше керосина. (+)

#ADVERTISING_INSERT#

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector