A forza de Arquímedes

Fagamos un experimento sinxelo: tome unha bóla de goma feblemente inflada e "afúndea" no auga. Se a profundidade de inmersión é ata 1-2 metros, é fácil ver que o seu volume diminuirá, é dicir, Desde todos os lados a bóla foi apretada por unha determinada forza. Adoita dicir que a presión hidrostática é "culpable" aquí - un análogo físico da forza que actúa en fluídos inmóbiles nun corpo inmerso. As forzas hidrostáticas actúan no corpo de todos os lados, e a súa resultante, coñecida como a forza de Arquimedia, tamén se denomina forza de flotabilidad, que corresponde á súa dirección de acción sobre o corpo inmerso no líquido.

Arquímedes abriu a súa lei puramente experimentalmente, ea súa xustificación teórica agardaba case 2000 anos antes de que Pascal descubrise a lei da hidrostática por un fluído fixo. Segundo esta lei, a presión transmítese a través do líquido en todas as direccións, independentemente da área á que actúa, en todos os planos que limitan o líquido, eo seu valor P é proporcional á superficie S e é dirixida ao longo do seu normal. Pascal descubriu e probou esta lei sobre a experiencia en 1653. Segundo el, a presión hidrostática actúa sobre todas as superficies do corpo inmersas no líquido.

Supoñamos que un corpo en forma de cubo cun bordo L a unha profundidade H está inmerso nun recipiente con auga, a distancia desde a superficie da auga ata a cara superior. O bordo inferior atópase na profundidade de H + L. O vector da forza F1 que actúa na cara superior está dirixido cara abaixo e F1 = r * g * H * S, onde r é a densidade do líquido, g é a aceleración debido á gravidade.

O vector da forza F2 que actúa sobre o plano inferior está dirixido cara arriba, eo seu valor está determinado pola expresión F2 = r * g * (H + L) * S.

Os vectores de forzas que actúan nas superficies laterais están mutuamente equilibrados e, polo tanto, están excluídos de consideración no futuro. A forza de Arquímedes é F2> F1 e é dirixida desde a parte inferior ata a parte superior e aplícase ao bordo inferior do cubo. Definimos o seu valor F:

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

Teña en conta que L * S é o volume do cubo V, e dado que r * g = p é o peso dunha unidade de líquido, a fórmula de forza de Arquímedes determina o peso do volume do líquido igual ao volume do cubo, isto é, Este é só o peso do fluído desprazado polo corpo. É interesante dicir que a lei de Arquímedes só é posible para un ambiente onde a gravidade estea presente - baixo a gravidade cero a lei non funciona. Finalmente, a fórmula da lei de Arquímedes ten o seguinte formulario:

F = p * V, onde p é a gravidade específica do líquido.

A forza de Arquímedes pode servir como base para analizar a flotabilidad dos corpos. A condición para a análise é a relación do peso do corpo inmerso Pm eo peso do líquido Pg cun volume igual ao volume da parte submergida do corpo. Se Рт = Рж, entón o corpo flota no líquido e se Рт> Рж, entón o corpo afúndese. En caso contrario, o corpo xorde ata que a forza de flotabilidade é igual ao peso da auga presionada pola parte afogada do corpo.

A lei de Arquímedes eo seu uso teñen unha longa historia en tecnoloxía, comezando co clásico exemplo de aplicación en todos os oficios coñecidos e en globos e aeronaves. O papel aquí foi o feito de que o gas refírese a un estado de materia que simula completamente o líquido. Ao mesmo tempo, no ambiente aéreo, a forza de Arquímedes actúa sobre calquera obxecto, similar ao dun líquido. Os primeiros intentos de facer un voo en globo foron feitos polos irmáns Montgolfier; encheron o globo cun fume cálido, polo que o peso do prisioneiro no globo era inferior ao peso do mesmo volume de aire frío. Este foi o motivo da aparición da forza de levantamento e determinouse a súa magnitude como a diferenza de peso destes dous volumes. A mellora adicional dos globos era un queimador que continuamente calou o aire dentro do balón. Está claro que o rango de voo dependía da duración do gravador. Posteriormente, en aeronaves, utilizouse un gas con unha gravidade específica menor que a do aire para cubrilo.