Plūdrumas yra jėga, leidžianti valtims ir paplūdimio kamuoliams plaukti ant vandens. Terminas plūduriuojanti jėga reiškia aukštyn nukreiptą jėgą, kurią skystis (tiek skystis, tiek dujos) veikia objektą, kuris yra iš dalies arba visiškai panardintas į skystį. Plūduriuojanti jėga taip pat paaiškina, kodėl daiktus galime pakelti po vandeniu lengviau nei sausumoje.
Pagrindiniai išvežamieji daiktai: plūduriuojanti jėga
- Terminas „plūdrioji jėga“ reiškia į viršų nukreiptą jėgą, kurią skystis veikia ant daikto, kuris yra iš dalies arba visiškai panardintas į skystį.
- Plūduriuojanti jėga atsiranda dėl skirtumų hidrostatiniame slėgyje - slėgyje, kurį veikia statinis skystis.
- Archimedo principas teigia, kad plūduriuojanti jėga, veikiama objekto, kuris iš dalies arba visiškai panardinamas į skystį, yra lygi skysčio, kurį objektas išstumia, masei.
„Eureka“ akimirka: pirmasis plūdrumo pastebėjimas
Anot romėnų architekto Vitruvio, graikų matematiko ir filosofo Archimedas pirmą kartą atrado plūdrumą III a
B.C. mįslėdamas apie problemą, kurią jam iškėlė Sirakūzų karalius Hiero II. Karalius Hiero įtarė, kad jo aukso vainikas, padarytas vainiko pavidalu, iš tikrųjų nebuvo pagamintas iš gryno aukso, o greičiau iš aukso ir sidabro mišinio.Įtariama, kad vonia Archimedas pastebėjo, kad kuo daugiau jis paniro į kubilą, tuo daugiau vandens iš jo tekėjo. Jis suprato, kad tai buvo atsakymas į jo sunkumus, ir puolė namo šaukdamas „Eureka!“ („Aš ją radau!“) Tada jis padarė du daiktai - vienas auksas ir vienas sidabras -, kurie buvo tokio pat svorio kaip ir karūna, ir kiekvieną jų numetė į indą, pripildytą iki krašto. vandens.
Archimedas pastebėjo, kad dėl sidabro masės iš indo ištekėjo daugiau vandens nei iš aukso. Tada jis pastebėjo, kad jo „auksinė“ karūna iš indo ištekėjo daugiau vandens nei jo sukurtas gryno aukso daiktas, nors abi karūnos buvo vienodo svorio. Taigi Archimedas pademonstravo, kad jo karūnoje iš tikrųjų yra sidabro.
Nors ši pasaka iliustruoja plūdrumo principą, ji gali būti legenda. Archimedas niekada pats neužrašė istorijos. Be to, praktikoje, jei mažas sidabro kiekis būtų iškeistas į auksą, išstumto vandens kiekis būtų per mažas, kad būtų galima patikimai išmatuoti.
Prieš atradus plūdrumą, buvo tikima, kad objekto forma lemia, ar jis plūduriuos, ar ne.
Plūdrumas ir hidrostatinis slėgis
Plūduriuojanti jėga atsiranda dėl hidrostatinis slėgis - slėgis, kurį daro a statinis skystis. Aukščiau skysčio padėtas rutulys patirs mažesnį slėgį nei tas pats rutulys, esantis toliau. Taip yra todėl, kad yra daugiau skysčio, taigi ir daugiau svorio, kuris veikia rutulį, kai jis yra giliau skysčio.
Taigi slėgis objekto viršuje yra silpnesnis nei slėgis apačioje. Slėgis gali būti konvertuotas į jėgą naudojant formulę Jėga = slėgis x plotas. Yra tinklas jėga nukreipta aukštyn. Ši grynoji jėga, nukreipta į viršų, nepaisant objekto formos, yra plūdrumo jėga.
Hidrostatinis slėgis pateikiamas kaip P = rgh, kur r yra tankis skysčio, g yra pagreitis dėl sunkio jėgos, o h yra gylis skysčio viduje. Hidrostatinis slėgis nepriklauso nuo skysčio formos.
Archimedo principas
Archimedo principas teigiama, kad plūduriuojanti jėga, veikiama objekto, kuris iš dalies arba visiškai panardinamas į skystį, yra lygi objekto išstumto skysčio svoriui.
Tai išreiškiama formule F = rgV, kur r yra skysčio tankis, g yra pagreitis dėl sunkio jėgos, o V - skysčio tūris, kurį objektas išstumia. V yra lygus objekto tūriui tik tada, kai jis yra visiškai panardintas.
Plūduriuojanti jėga yra aukštyn kylanti jėga, priešinanti žemyn nukreiptai sunkio jėgai. Plūduriuojančios jėgos dydis lemia, ar daiktas panirs į skystį, jis plūdės ar pakils.
- Objektas nuskęs, jei jį veikianti gravitacinė jėga bus didesnė už plūduriuojančią jėgą.
- Objektas plūduriuos, jei jį veikianti gravitacinė jėga bus lygi plūduriuojančiai jėgai.
- Objektas pakils, jei jį veikianti gravitacinė jėga bus mažesnė už plūduriuojančią jėgą.
Iš formulės taip pat galima padaryti keletą kitų pastebėjimų.
- Povandeniniai daiktai, kurių tūris yra lygus, išstumia tą patį skysčio kiekį ir patirs vienodą stiprumo stiprį, net jei objektai yra pagaminti iš skirtingų medžiagų. Tačiau šie objektai skirsis pagal svorį ir plūduriuos, pakils arba nuskęs.
- Oras, kurio tankis yra maždaug 800 kartų mažesnis nei vandens, patirs daug mažesnę stiprį nei vanduo.
1 pavyzdys: dalinai panardintas kubas
Kubas, kurio tūris yra 2,0 cm3 yra pusiau panardintas į vandenį. Kokią stiprio jėgą patiria kubas?
- Mes žinome, kad F = rgV.
- r = vandens tankis = 1000 kg / m3
- g = gravitacinis pagreitis = 9,8 m / s2
- V = pusė kubo tūrio = 1,0 cm3 = 1.0*10-6 m3
- Taigi, F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 10-6 m3 = .0098 (kg * m) / s2 = .0098 Niutonas.
2 pavyzdys: Visiškai panardintas kubas
Kubas, kurio tūris yra 2,0 cm3 yra visiškai panardintas į vandenį. Kokią stiprio jėgą patiria kubas?
- Mes žinome, kad F = rgV.
- r = vandens tankis = 1000 kg / m3
- g = gravitacinis pagreitis = 9,8 m / s2
- V = kubo tūris = 2,0 cm3 = 2.0*10-6 m3
- Taigi, F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 2,0 * 10-6 m3 = 0,0196 (kg * m) / s2 = .0196 niutonai.
Šaltiniai
- Biello, Deividas. „Faktas ar grožinė literatūra?: Archimedas vonioje sugalvojo žodį„ Eureka! “.“ Mokslinis amerikietis, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
- „Tankis, temperatūra ir druskingumas“. Havajų universitetas, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
- Rorresas, Chrisas. „Auksinė karūna: įvadas“. Niujorko valstijos universitetas, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.