От чего зависит Архимедова сила

Архимедова сила — это

Начать рассмотрение темы целесообразно с формулировки понятия силы. В окружающем мире постоянно можно наблюдать деформацию каких-либо физических объектов. Процесс сопровождает изменение формы или габаритов тела, ускорение или замедление его движения, перемещение по вертикальной или другой траектории. Причина подобных трансформаций заключается в присутствии некоторой силы.

Силой называют векторную величину, воздействующую на рассматриваемый объект со стороны прочих материальных тел.

С целью измерения силы используют Ньютоны. Данные единицы получили название в честь Исаака Ньютона. В связи с тем, что силу изображают с помощью вектора, кроме модульного значения для нее характерно определенное направление. В зависимости от направленности воздействия определяют конечный результат. 

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Примечание 1

Если встать на лонгборд на поверхности воды, то при отталкивании в правую или левую сторону дальнейшее развитие ситуации определено по-разному. Итог подобной активности зависит от направления движения.

Когда твердый объект погружают в жидкую среду, возникают силы давления, воздействующие на него определенным образом. Рассматриваемое влияние возрастает по мере погружения. На основание предмета действует сила, превышающая ту, что приложена к верхней части тела. Подобный эффект сформирован за счет присутствия разного гидростатического давления в различных точках жидкости.

Сила Архимеда представляет собой равнодействующую всех сил, оказывающих давление на поверхность объекта со стороны жидкости.

От чего зависит

На какое-либо физическое тело после погружения в толщу воды воздействует выталкивающая сила. Данное влияние вычисляют как вес вытесненной предметом жидкости. В результате рассматриваемый объект в воде весит меньше, чем на открытом воздухе. Весовую разницу рассчитывают по массе жидкой среды, вытесненной по итогам погружения. С ростом плотности жидкости можно наблюдать уменьшение веса материального тела. Озвученное утверждение объясняет простоту подъема тяжелых предметов в водном пространстве. Параметры, от которых зависит сила выталкивания:

  • плотность среды;
  • ускорение свободного падения;
  • объемная величина фрагмента погружаемого объекта.

Сила Архимеда не реализована в нескольких случаях:

  1. В невесомости Архимедова сила не действует, так как отсутствует ключевое условие, которое состоит в присутствии весомой среды. В невесомом пространстве холодные и нагретые воздушные массы остаются неподвижными.
  2. Плотное прилегание объекта к поверхности при отсутствии газовой или жидкостной прослойки исключает необходимые условия для выталкивания наблюдаемого тела.
  3. На растворы и смеси не влияет сила Архимеда, так как подобные материалы растворяются в среде.

В чем измеряется

Архимедову силу измеряют в Ньютонах (Н), как и прочие виды воздействия на материальные тела. При расчетах силового влияния на определенные объекты нередко применяют следующую формулу для выражения единиц измерения:

\(1 Н = кг \cdot м/с^{2}\)

Как найти: формула

При рассмотрении опытов с жидкостями силу выталкивания материальных объектов вычисляют по модулю, как вес жидкой среды, которая была вытеснена в процессе погружения тела. Сила Архимеда направлена противоположно по отношению к движению погружаемого предмета. В математическом виде озвученное соотношение записывают следующим образом:

\(F_{Арх} = \rho_{ж}gV_{погр}\)

Здесь \(\rho_{ж}\) обозначает плотность жидкой среды в \(кг/м^{3}, V_{погр}\)выражает объем фрагмента объекта, погружаемого в жидкость, в \(м^{3}\).

Примечание 1

Величина g является ускорением свободного падения и исчисляется в \(м/с^{2}\). Применительно к нашей планете данное значение равно \(9,8 м/с^{2}\).

В действительности процесс погружения материальных предметов в газ практически не отличается от аналогичных опытов с жидкостью. Архимедова сила в таком случае соответствует по модулю весу вытесненного газообразного вещества и обладает противоположным с ним направлением. Формула для расчета силы Архимеда в газообразном пространстве принимает такой вид:

\(F_{Арх} = \rho_{г}gV_{погр}\)

В записанном алгебраическом выражении \(\rho_{г}\)  выражает плотность газа в \(кг/м^{3}, V_{погр}\) обозначает объем части материального тела, погружаемого в газообразную среду, в \(м^{3}\).

Примеры решения задач       

Задача 1

В емкость поместили три шара из железа с одинаковыми объемами. Плотность жидкой среды обладает минимальной сжимаемостью, что позволяет считать данный параметр без изменений при любой глубине. Требуется выявить соотношение выталкивающих сил, воздействующих на шарообразные объекты.

Решение

Из условия задания понятно, что в эксперименте используют предметы с равными объемами. Согласно теоретическому материалу, сила Архимеда определена объемом погружаемых фрагментов материальных тел и не зависит от глубины. На основании изложенных сведений можно прийти к единственно верному выводу и сформулировать ответ.

Ответ: силы выталкивания обладают равными величинами при погружении шариков в емкость.

Задача 2

Воздушный шар объемом \(0,3 м^{3}\) заполнили гелием и запустили в атмосферу нашей планеты. Допустимо принять вес гелия за нулевое значение. Требуется вычислить максимально возможную массу груза, которую способен удержать рассматриваемый шар при плотности воздушной среды, равной \(1,3 кг/м^{3}\).

Решение

Воспользуемся известной из курса теории математической формулой для расчета Архимедовой силы. Путем подстановки числовых величин из условия примера вычислим, чему равно воздействие на шар:

\(F_{Арх} = \rho_{г}gV_{погр} = 1,3 \cdot 10 \cdot 0,3 = 0,39 Н\)

На следующем этапе целесообразно обратиться ко второму закону Ньютона, применимого в случае исследования инерциальных систем отсчета. Запишем соответствующее соотношение:

\(F_{Арх} = mg\)

Из указанного выше уравнения несложно выразить массу материального тела, играющего роль груза для воздушного шара. Выполним необходимые преобразования и подставим известные величины для вычисления искомого значения:

\(m = \frac{ F_{Арх} }{g} = \frac{0,39}{10} = 39 кг\)

Ответ: наибольшая масса груза, которую способен выдержать шар, составляет 39 кг.

Задача 3

В реку кинули мячик, объем которого составляет 0,8 л. В процессе взаимодействия с жидкой средой объект погрузился на 50%. Необходимо рассчитать величину силы Архимеда, воздействующую на материальное тело.

Решение

На первом шаге целесообразно определить известные величины, чтобы корректно выбрать формулу для выполнения расчетов. Запишем значение для плотности воды:

\(\rho = 1000 кг/м^{3}\)

Заметим, что по условию задачи объем физического объекта указан в литрах. С целью дальнейших вычислений следует перевести единицы измерения в СИ:

\(V = 0,8 л = 0,0008 м^{3} \)

Далее допустимо приступать к применению формулы для расчета силы Архимеда. Сформулируем математическое соотношение, подставим численные значения и посчитаем окончательный ответ:

\(F_{Арх} = \rho gV = 1000 \cdot 10 \cdot 0,5 \cdot 0,0008 = 4 Н\)

Ответ: сила Архимеда, выталкивающая шарик из реки, равна 4 Н.

Задача 4

Материальное тело, объем которого составляет \(150 см^{3}\), полностью погрузили в водную среду. Допустимо принять плотность воды за \(\rho = 1000 кг/м^{3}\) . На основании этой информации нужно вычислить величину Архимедовой силы, выталкивающей предмет.

Решение

Основываясь на опыте решения предыдущего примера, следует начать алгоритм вычислений с действия по приведению физических величин в СИ. Заметим, что подобные преобразования необходимы для выражения объема. Выполним соответствующие преобразования:

\(V = 150 см^{3} = 0,00015 м^{3}\)

На следующем этапе представим математическое соотношение для расчета силы Архимеда. С помощью подстановки известных множителей проведем расчеты и сформулируем итоговый ответ:

\(F_{Арх} = \rho gV = 1000 \cdot 10 \cdot 0,00015 = 1,5 Н\)

Ответ: на материальное тело, погруженное в воду, действует сила Архимеда, равная 1,5 Н.

Задача 5

Некий физический предмет целиком погрузили в водную среду. Значение плотности жидкости соответствует \(\rho = 1000 кг/м^{3}\). Измерения воздействующей на погружаемое тело силы Архимеда показали 20 Н. Требуется вычислить величину объема объекта, участвующего в эксперименте.

Решение

В данном случае будет полезно проанализировать формулу для вычисления силы Архимеда для тел, помещаемых в жидкую среду. В общем виде математическое соотношение записывают таким образом:

\(F_{Арх} = \rho gV\)

Заметим, что из представленного уравнения допустимо выразить величину объема физического предмета, помещенного в воду. Выполним соответствующие преобразования с последующей подстановкой известных по условию задачи значений для вычисления ответа:

\(V = \frac{ F_{Арх}}{\rho g } = \frac{20}{1000\cdot 10} = 0,002 м^{3}\)

Ответ: объем погружаемого в воду материального тела составляет \(0,002 м^{3}.\)

Насколько полезной была для вас статья?

У этой статьи пока нет оценок.

Заметили ошибку?

Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»