Объяснение архимедовой силы

Несмотря на очевидные различия в свойствах жидкостей и газов, во многих случаях их поведение определяется теми же параметрами и уравнениями, что позволяет использовать единый подход к изучению свойств этих веществ.

В механике газы и жидкости рассматриваются как сплошные среды. Предполагается, что молекулы вещества распределяются непрерывно в той части пространства, которое они занимают. В этом случае плотность газа существенно зависит от давления, тогда как для жидкости ситуация другая. Обычно при решении задач этот факт пренебрегают, используя обобщенное понятие несжимаемой жидкости, плотность которая является однородной и постоянной.

Что такое давление?

Далее мы даем понятие физического величине - давление.

Давление определяется как нормальная сила F, действующая на сторону текучей среды на единицу площади S.

• ρ = ΔP / ΔS.

Давление измеряется в паскалях. Один Па равен силе 1 N, действующей на единицу площади 1 квадратный метр.

В равновесии давление жидкости или газа описывается законом Паскаля, согласно которому давление на поверхность жидкости, создаваемое внешними силами, равномерно передается жидкостью во всех направлениях.

При механическом равновесии давление жидкости по горизонтали всегда одно и то же; поэтому свободная поверхность статической жидкости всегда горизонтальна (кроме случаев, когда она входит в контакт со стенками сосуда). Если учесть условие несжимаемость жидкости, то плотность рассматриваемой среды не зависит от давления.

Представьте себе определенный объем жидкости, ограниченный вертикальным цилиндром. Сечение жидкого столба обозначается S, его высота равна h , плотность жидкости равна ρ , а вес P = ρgSh. Тогда следующий является справедливым утверждением:

• p = P / S = ρ GSH / S = ρgh,

где p - это давление на дне сосуда.

Из этого следует, что давление изменяется линейно, в зависимости от высоты. В то же время ρgh представляет собой гидростатическое давление, изменение которого объясняет возникновение силы Архимеда.

Что такое закон Архимеда?

Закон Архимеда, один из основных законов гидростатики и аэростатики, гласит: тело, погруженное в жидкость или газ, подвержено толкающей или подъемной силе, равной весу объема жидкости или газа, смещенного частью тело погружено в жидкость или газ.

Появление архимедовой силы связано с тем, что среда - жидкость или газ - имеет тенденцию занимать пространство, отведенное погруженным в него телом; в то же время тело выталкивается из окружающей среды.

Отсюда второе название этого явления - плавучесть или гидростатическая подъемная сила.

Плавучая сила не зависит от формы тела, а также от состава тела и других его характеристик.

Появление архимедовой силы связано с разницей в давлении среды на разных глубинах. Например, давление на нижние слои воды всегда больше, чем на верхних слоях.

Проявление силы Архимеда возможно только при наличии гравитации. Например, на Луне плавучая сила будет в шесть раз меньше, чем на Земле для тел равных объемов.

Как сила Архимеда работает на практике?

Представьте себе любую жидкую среду, например, обычную воду. Мы мысленно выделяем произвольный объем воды с закрытой поверхностью S. Поскольку состояние жидкости находится в механическом равновесии, объем, выделенный нами, также статичен. Это означает, что результат и момент внешних сил, действующих на этот ограниченный объем, принимают нулевые значения. Внешние силы в этом случае представляют собой вес ограниченного объема воды и давления окружающей жидкости на внешней поверхности S. В этом случае результирующая F силы гидростатического давления, испытываемой поверхностью S, равна весу что объем жидкости, ограниченный поверхностью S., момент внешних сил обратился в нуль, результирующий F должен направляться вверх и проходить через центр массы выбранного объема жидкости.

Теперь мы укажем, что вместо этой условно ограниченной жидкости любое вещество соответствующего объема помещалось в среду. Если будет наблюдаться условие механического равновесия, то из окружающей среды не будет изменений, включая давление, действующее на поверхность S. Точно так же мы можем дать более точную формулировку закона Архимеда:

Если тело, погруженное в жидкость, находится в механическом равновесии, то со стороны его окружающей среды оно зависит от плавучей силы гидростатического давления, численно равной весу среды в объеме, вытесненном телом.

Плавучая сила направлена вверх и проходит через центр массы тела. Итак, согласно закону Архимеда о плавучей силе,

• FA = ρgV, где :

VA - плавучесть сила , Н;

ρ - плотность жидкости или газа, кг/м3;

V - объем тела, погруженного в среду, м3;

г - ускорение силы тяжести, м/с2.

Плавучая сила, действующая на тело, противоположна направлению тяжести, поэтому поведение погруженного тела в среде зависит от соотношения модулей силы тяжести FT и архимедовой силы FA. Три случаи находятся возможное здесь:

• FT> FA. Гравитация превосходит плавучую силу, поэтому тело опускается / падает;
• FT = FA. Гравитация выравнивается с плавучестью, поэтому тело «замерзает» в жидкости;
• FT