عند مشاهدة تحليق البالونات وحركة السفن على سطح البحر ، يتساءل الكثير من الناس: ما الذي يجعل هذه المركبات ترتفع في السماء أو يبقي هذه المركبات على سطح الماء؟ الجواب على هذا السؤال هو الطفو. دعونا نلقي نظرة فاحصة عليه في المقال
السوائل والضغط الساكن فيها
السائل حالتان متجمعتان للمادة: الغاز والسائل. يؤدي تأثير أي قوة عرضية عليها إلى انتقال بعض طبقات المادة بالنسبة إلى طبقات أخرى ، أي تبدأ المادة في التدفق.
تتكون السوائل والغازات من جسيمات أولية (جزيئات ، ذرات) ، ليس لها موقع محدد في الفضاء ، كما هو الحال ، على سبيل المثال ، في المواد الصلبة. إنهم يتحركون باستمرار في اتجاهات مختلفة. في الغازات ، تكون هذه الحركة الفوضوية أكثر كثافة منها في السوائل. بسبب الحقيقة الملحوظة ، يمكن للمواد السائلة أن تنقل الضغط الواقع عليها بالتساوي في جميع الاتجاهات (قانون باسكال).
نظرًا لأن جميع اتجاهات الحركة في الفضاء متساوية ، فإن الضغط الكلي على أي عنصر أساسيالحجم داخل السائل هو صفر.
يتغير الوضع جذريًا إذا تم وضع المادة المعنية في مجال الجاذبية ، على سبيل المثال ، في مجال الجاذبية الأرضية. في هذه الحالة ، كل طبقة من السائل أو الغاز لها وزن معين تضغط به على الطبقات الأساسية. يسمى هذا الضغط الضغط الساكن. يزداد بالتناسب المباشر مع العمق h. لذلك ، في حالة السائل ذي الكثافة ρl، يتم تحديد الضغط الهيدروستاتيكي P بواسطة الصيغة:
P=ρl gh.
هنا g=9.81 m / s2- تسارع السقوط الحر بالقرب من سطح كوكبنا.
يشعر بالضغط الهيدروستاتيكي كل شخص غاص عدة أمتار تحت الماء مرة واحدة على الأقل.
بعد ذلك ، ضع في اعتبارك مسألة الطفو على مثال السوائل. ومع ذلك ، فإن جميع الاستنتاجات التي سيتم تقديمها صالحة أيضًا للغازات.
الضغط الهيدروستاتيكي وقانون أرخميدس
لنقم بإجراء التجربة البسيطة التالية. لنأخذ جسمًا ذا شكل هندسي منتظم ، على سبيل المثال ، مكعب. اجعل طول جانب المكعب أ. دعونا نغمر هذا المكعب في الماء بحيث يكون وجهه العلوي على عمق h. ما مقدار ضغط الماء على المكعب؟
للإجابة على السؤال أعلاه ، من الضروري مراعاة مقدار الضغط الهيدروستاتيكي الذي يعمل على كل وجه من وجوه الشكل. من الواضح أن الضغط الكلي الذي يعمل على جميع الوجوه الجانبية سيكون مساويًا للصفر (الضغط على الجانب الأيسر سيعوضه الضغط على اليمين).سيكون الضغط الهيدروستاتيكي على الوجه العلوي:
P1=ρl gh.
هذا الضغط نزولي. قوتها المقابلة هي:
F1=P1 S=ρl ghS
حيث S هي مساحة الوجه المربع
القوة المرتبطة بالضغط الهيدروستاتيكي ، والتي تعمل على الوجه السفلي للمكعب ، ستكون مساوية لـ:
F2=ρl g(h + a)S.
F2القوة موجهة لأعلى. ثم سيتم توجيه القوة الناتجة أيضًا لأعلى. معناه:
F=F2- F1=ρl g(h + a)S - ρl ghS=ρl gaS.
لاحظ أن ناتج طول الحافة ومنطقة الوجه S للمكعب هو حجمه V. هذه الحقيقة تسمح لنا بإعادة كتابة الصيغة على النحو التالي:
F=ρl gV.
تقول هذه الصيغة لقوة الطفو أن قيمة F لا تعتمد على عمق غمر الجسم. نظرًا لأن حجم الجسم V يتزامن مع حجم السائل Vl، الذي أزاحه ، يمكننا كتابة:
FA=ρl gVl.
صيغة قوة الطفو FAتسمى عادة التعبير الرياضي لقانون أرخميدس. أسسها لأول مرة فيلسوف يوناني قديم في القرن الثالث قبل الميلاد. من المعتاد صياغة قانون أرخميدس على النحو التالي: إذا كان الجسم مغمورًا في مادة سائلة ، فعندئذٍ تؤثر عليه قوة عمودية تصاعدية ، والتي تساوي وزن الجسم الذي يزيحه الجسم.مواد. تسمى قوة الطفو أيضًا بقوة أرخميدس أو قوة الرفع
القوى المؤثرة على جسم صلب مغمور في مادة سائلة
من المهم معرفة هذه القوى للإجابة على سؤال ما إذا كان الجسم سيطفو أو يغرق. بشكل عام ، هناك اثنان منهم فقط:
- الجاذبية أو وزن الجسم Fg؛
- قوة الطفو FA.
إذا كان Fg>FA، فمن الآمن القول إن الجسم سيغرق. على العكس من ذلك ، إذا كان Fg<FA، فسيتمسك الجسم بسطح المادة. لإغراقها ، تحتاج إلى تطبيق قوة خارجية FA-Fg.
استبدال الصيغ للقوى المحددة في عدم المساواة المشار إليها ، يمكن للمرء الحصول على حالة رياضية لتعويم الأجسام. يبدو كالتالي:
ρs<ρl.
هنا ρsهو متوسط كثافة الجسم.
من السهل إثبات تأثير الشرط أعلاه في الممارسة العملية. يكفي أن تأخذ مكعبين معدنيين أحدهما صلب والآخر أجوف. إذا رميتهما في الماء ، فإن الأول سوف يغرق ، والثاني سوف يطفو على سطح الماء.
استخدام الطفو في الممارسة
جميع المركبات التي تتحرك فوق الماء أو تحته تستخدم مبدأ أرخميدس. لذلك ، يتم حساب إزاحة السفن بناءً على معرفة أقصى قوة طفو. تغيير الغواصاتمتوسط كثافتها بمساعدة غرف الصابورة الخاصة ، يمكن أن تطفو أو تغرق.
مثال حي على التغيير في متوسط كثافة الجسم هو استخدام سترات النجاة من قبل الشخص. إنها تزيد بشكل كبير الحجم الكلي وفي نفس الوقت عملياً لا تغير وزن الشخص.
يعد صعود بالون أو بالونات مملوءة بالهيليوم في السماء مثالًا رئيسيًا على قوة أرخميدس العائمة. مظهره يرجع إلى الاختلاف بين كثافة الهواء الساخن أو الغاز والهواء البارد.
مشكلة حساب قوة أرخميدس في الماء
الكرة المجوفة مغمورة بالكامل في الماء. نصف قطر الكرة 10 سم من الضروري حساب طفو الماء
لحل هذه المشكلة ، لا تحتاج إلى معرفة المادة التي صنعت منها الكرة. من الضروري فقط العثور على حجمه. الأخير يحسب بالصيغة:
V=4/3pir3.
ثم سيُكتب التعبير الخاص بتحديد قوة أرخميدس على النحو التالي:
FA=4/3pir3 ρl g.
استبدال نصف قطر الكرة وكثافة الماء (1000 كجم / م3) ، نحصل على أن قوة الطفو هي 41.1 نيوتن
مشكلة في مقارنة قوى أرخميدس
هناك نوعان من الجثث. حجم الأول 200 سم3، والثاني 170 سم3. تم غمر الجسم الأول في الكحول الإيثيلي النقي ، والثاني في الماء. من الضروري تحديد ما إذا كانت قوى الطفو المؤثرة على هذه الأجسام هي نفسها.
تعتمد قوى أرخميدس المقابلة على حجم الجسم وعلى كثافة السائل. بالنسبة للمياه ، تبلغ الكثافة 1000 كجم / م3، بالنسبة للكحول الإيثيلي 789 كجم / م3. احسب قوة الطفو في كل مائع باستخدام هذه البيانات:
للمياه: FA=100017010-6 9 ، 81 ≈ 1 ، 67 N ؛
للكحول: FA=78920010-6 9، 81 ≈ 1، 55 N.
وهكذا ، في الماء ، تكون قوة أرخميدس 0.12 نيوتن أكبر من الكحول.
