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.

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. 

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.

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 \(м^{3}\).

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       

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.

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.

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.

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.

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 \(0,002 м^{3}.\)