Potere di Archimede: causa, formula e uso nell'ingegneria e nella natura

Molti guardavano le navi che navigavano sul mare, palloncini che volavano nell'atmosfera. Tuttavia, poche persone sanno che tipo di forza fa sorgere i solidi nell'acqua e nell'aria. In questo articolo considereremo le domande su quale sia la forza di Archimede, qual è la causa fisica del suo verificarsi e quale formula è usata per calcolare il suo valore.

La pressione nel volume di una sostanza fluida

Per comprendere la causa dell'apparizione della forza di Archimede, si dovrebbero prendere in considerazione le peculiarità dell'esistenza della pressione all'interno delle sostanze fluenti. Tali sostanze sono gas e liquidi, poiché qualsiasi minima forza di taglio applicata a loro porta allo spostamento di alcuni strati in essi rispetto ad altri, cioè, appare un flusso.

Ad esempio, considerare un liquido (acqua, alcool, benzina, ecc.). Innanzitutto, il fluido è incomprimibile. In secondo luogo, tutte le particelle elementari che lo compongono si muovono casualmente in direzioni diverse. Questo movimento porta al fatto che qualsiasi volume all'interno del liquido è influenzato dalla pressione da tutti i lati. Poiché ogni componente di pressione corrisponde a un analogo, che è diretto nella direzione opposta, la pressione totale sul volume in questione è zero.

Se il fluido si trova nel campo delle forze gravitazionali (ad esempio nel campo della terra), gli strati superiori iniziano a esercitare pressione sugli strati inferiori. La pressione che esercitano è chiamata idrostatica. È determinato dalla formula:

P = ρ * g * h.

Dove ρ è la densità del fluido, h è la distanza dalla superficie del fluido, cioè la profondità.

La forza di Archimede appare a causa della pressione idrostatica. Considera nel prossimo paragrafo in maggior dettaglio la ragione del suo aspetto.

Archimede e Archimede costringono

Tradizionalmente si ritiene che la scoperta della galleggiabilità e la legge matematica che la definisce appartengano ad Archimede. Secondo la leggenda, ha usato questa legge per definire una falsa corona d'oro. La legge di Archimede può essere formulata come segue: un corpo immerso in una sostanza fluida subisce una forza verso l'alto che lo spinge verso l'alto, che è uguale al peso del fluido che sposta. La forza repulsiva in fisica ricevette il nome di Archimedeo.

Come già notato, la causa della forza di galleggiamento è la pressione idrostatica. Il fatto è che per ogni corpo sommerso la pressione esercitata dal liquido sulla parte superiore del corpo sarà sempre inferiore alla pressione che viene applicata alla sua parte inferiore. La differenza tra loro, moltiplicata per l'area di impatto, è una forza di spinta.

La formula per il potere di Archimede è scritta come segue:

F _A = ρ _l * g * V _l .

Dove ρ _l e V _l sono la densità del fluido e il suo volume, che è stato spostato dal corpo sommerso. Non confondere il valore di V _l con il volume del corpo, che sarà indicato con ulteriori V _s . Poiché il fluido è incomprimibile, questi volumi saranno uguali tra loro solo con la piena immersione del corpo.

La condizione dei corpi solidi nuotare in sostanze fluide

Se il corpo affonderà nel fluido, o se galleggerà in esso, dipende dalla relazione tra le due forze (gravità e forza di Archimede). Poiché il primo è uguale al peso corporeo, possiamo scrivere la seguente uguaglianza:

m _s * g = ρ _l * g * V _l .

Scrivendo la massa attraverso la densità e assumendo che il corpo sia completamente immerso nel liquido, arriviamo alla seguente equazione:

ρ _s * g * V _s = ρ _l * g * V _l =>

ρ _s = ρ _l .

L'espressione matematica risultante è una condizione che il corpo non galleggia o affonda nel fluido. Sarà sempre sulla superficie della sostanza fluida, se la sua densità è inferiore alla densità del liquido. Con la relazione inversa tra queste densità, il corpo affonderà.

Successivamente, mostreremo dove viene applicata la legge considerata e risolviamo il problema con il suo uso.

Nuotare vari oggetti

Forse l'esempio più famoso è la navigazione delle navi. Quindi, ogni nave ha una densità media inferiore alla densità dell'acqua (1 g / cm ³ ), quindi non affonda, nonostante sia fatto di materiali metallici molto più densi.

Nel caso di un sottomarino, si dovrebbe notare che la sua galleggiabilità è regolata mediante zavorra. Quindi, raccogliendo l'acqua di mare in serbatoi appositamente forniti, la barca aumenta la sua densità media e inizia ad affondare. Al contrario, il pompaggio di acqua da questi serbatoi riduce la sua densità media, che porta alla risalita del sottomarino. Secondo lo stesso principio, i pesci con una vescica natatoria possono cambiare facilmente la profondità della loro immersione.

Il principio del ballooning di palloncini e palloncini non è diverso dalle navi galleggianti nell'acqua. Ad esempio, un pallone usa l'aria calda durante il suo volo. Come è noto dalla fisica, quando riscaldato, la densità dell'aria diminuisce a causa della sua espansione. Di conseguenza, il pallone ottiene l'opportunità di sollevare un po 'di carico nell'aria, usando la forza di galleggiamento.

Misuratore di densità

Considerando la legge di Archimede e il suo uso, va detto che oltre alla navigazione delle navi, trova applicazione nel determinare la densità del fluido analizzato. Per fare ciò, utilizzare un densimetro o un densimetro. È un tubo di vetro, in fondo al quale è il piombo. Il tubo ha una scala di divisioni. Quando si posiziona il dispositivo in qualsiasi liquido, mostra accuratamente la sua densità.

Il densimetro è utilizzato per determinare la carica della batteria, per analizzare la purezza del latte o il contenuto alcolico del vino.

Il compito di applicare la legge di Archimede

Supponiamo che il pallone abbia un volume di 1000 m ³ . La densità dell'aria che circonda il pallone è di 1,225 kg / m ³ . È necessario determinare quale peso può sollevare la palla se la densità di aria calda nel suo volume è 1 kg / m ³ .

Scriviamo l'espressione di uguaglianza di forze:

P _g + P _s = F _A.

Dove P _g è il peso del carico che solleva la palla, P _s è il peso della palla stessa. Supponiamo che la densità media della palla sia uguale alla densità dell'aria calda in essa, quindi l'espressione sopra può essere riscritta come:

m _g * g = V * g * (ρ _a - ρ _s ).

Dove V è il volume della palla, ρ _s è la sua densità, ρ _a è la densità dell'aria, m _g è la massa del carico sollevato. Allora m _g sarà uguale a:

m _g = V * (ρ _a - ρ _s ) = 1000 * (1,225 - 1) = 225 kg.

Quindi, questa palla sarà in grado di sollevare 3 persone che pesano 70 kg ciascuna.