Архимедова сила

Сила Архимеда – устоявшееся словосочетание, которым обозначают один из самых известных в истории человечества физических законов. Его изучают в рамках школьной программы 7 класса, а вопросы по теме включены в экзаменационные билеты по физике. Рассмотрим более внимательно, что представляет собой архимедова сила, какова формулировка закона и где он применяется на практике.

Определение силы

Сила представляет собой один из базовых физических терминов, который обозначает воздействие на тело, оказываемое другими телами. Единицей измерения данного параметра выступает ньютон (наименование дано в честь еще одного великого ученого – Исаака Ньютона).

Сила является векторной величиной, так как всегда имеет направление, непосредственно влияющее на результат воздействия. Что вполне логично и легко подтверждается самым простым и понятным примером. При перемещении на скейтборде можно приложить силу, то есть толкнуться или вперед, или назад. В зависимости от выбранного направления, начинается движение. Причем в прямо противоположные стороны.

Закон Архимеда

История разработки закона Архимеда носит несколько легендарный характер. Что стало одним из факторов широкой известности как самого ученого, так и результатов его научной деятельности. Фабула сюжета достаточно проста. Правитель Сиракуз Герон II дал Архимеду задание проверить, сделана царская корона из чистого золота или имеет примеси. Важным дополнительным условием стал запрет на повреждение предмета, исключающий возможность взятия пробы или других манипуляций.

Поэтому перед ученым встала непростая задача. В качестве исходных данных присутствовал вес короны (проблем с этим не возникало), но плотность материала определить сходу не получалось. Под плотностью понимается отношение массы к объему тела (измеряется в кг/куб. м). Значение параметра для чистого золота хорошо известно (как и для других основных материалов).

В попытках решить задачу поиска объема без повреждения короны Архимед решил принять ванну. При погружении он увидел, что уровень воды в емкости поднялся. Отсюда был сделан логический вывод, казавшийся очевидным, но никому еще не приходивший в голову. Он выглядит следующим образом: объем вытесненной воды равен объему погрузившегося в жидкость тела. Дальнейшие действия были предельно просты. Чтобы узнать объем короны, достаточно погрузить ее в емкость, заполненную водой. Объем вытесненной жидкости будет равен объему золотого предмета. Завершающим штрихом истории появления закона Архимеда стал радостный крик «Эврика», изданный автором и присутствующий во всех многочисленных описаниях этого любопытного факта.

Сила Архимеда для жидкостей и газов

Архимедова или выталкивающая сила действует не только на жидкости, но и на газы. Что увеличило сферу практического использования рассматриваемого закона. Поэтому имеет рассмотреть каждый из вариантов более детально.

Формулировка закона Архимеда выглядит следующим образом. Выталкивающая сила, которая действует на погруженное в жидкость тело, равна весу вытесненной жидкости (значение берется по модулю, то есть является положительным) и направлена в противоположную сторону.

Математическая формула Архимедова закона одинакова и для жидкостей, и для газов. Она имеет такой вид:

, где:

• Fa – сила Архимеда или выталкивающая (измеряется в ньютонах или Н);
• р – плотность жидкости/газа (кг/куб. м.);
• g – константа ускорения свободного падения (равняется 9,8 м/с² или Н/кг для Земли);
• V – объем части тела, погруженной в жидкость или газ (куб. м.)

Одним из ключевых следствие закона Архимеда становятся так называемые условия плавания тел. Которые одинаково справедливы и для жидкостей, и для газов. Они активно применяются в таких важных видах человеческой деятельности как мореплавание и воздухоплавание.

В общем случае выделяют три возможных ситуации, касающихся плавания тел:

1. Погружение. Происходит в том случае, если значение плотности тела выше аналогичного для среды, куда оно погружается.
2. Плавание внутри жидкости/газа. Значения рассматриваемого параметра для тела и газа/жидкости равны.
3. Плавание на поверхности жидкости/газа. Подобная ситуация возникает, если плотность газа или жидкости больше аналогичного значения тела.

Красноречивым следствием закона Архимеда становится возможность плавания морских судов. Основным материалом их изготовления выступает металл, плотность которого заметно выше, чем у воды. Но при расчете средней плотности судна необходимо учитывать воздух, который находится внутри корпуса. В результате значение показателя существенно снижается и достигает требуемой величины, что позволяет с легкостью и очень уверенно удерживаться на поверхности жидкости.

Когда сила Архимеда не работает?

Выделяют три случая, когда закон Архимеда не действует:

1. Невесомость (исключает наличия веса у тела, который является обязательным условием возникновения выталкивающей силы).
2. Плотное прилегание тела к поверхности (приводит к отсутствию между телом и поверхностью газа или жидкости, в результате телу попросту неоткуда вытесняться).
3. Погружение тела в смеси и растворы (плотность смесей и растворов определяется в зависимости от итогового состава жидкости и газа, что обязательно требует дополнительного уточнения).

Задачи и их решение – примеры

Для закрепления теоретических знаний закона Архимеда на практике решим задачу. Исходные условия: объем тела – 2 куб. м. и плотность воды – 1 тыс. кг/куб. м. Необходимо найти значение архимедовой силы.

Решения задачи достигается прямым использованием формулы закона:

1. Сначала определяется масса вытесненной воды (m), которая равняется 2 тоннам или 2 тыс. килограмм (1000 кг/куб. м. * 2 куб. м).
2. Далее рассчитывается значение силы по формуле P = g * m = 9,8 Н/кг * 2 000 кг = 20 000 Н или 20 кН.

Ответ: 20 кН.

FAQ

Что понимается под архимедовой силой?

Это выталкивающая сила, которая возникает в газах и жидкостях при погружении в них тела, направленная в противоположном ему направлении.

Как звучит формулировка закона Архимеда?

На тело, погружаемое в жидкость или газ, воздействует выталкивающая сила, обратная по направлению и равная по модулю весу жидкости, вытесненной телом.

Где применяется закон Архимеда сегодня?

Наиболее важное значение закон Архимеда имеет для мореплавания и воздухоплавания.

Вывод

1. Закон Архимеда – один из самых известных и одновременно важных физических законов, являющихся фундаментом этой базовой науки.
2. В соответствии с законом Архимеда на тело, которой погружается в газ или жидкость, воздействует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости и направленная в противоположную сторону.
3. Следствием закона Архимеда выступают условия плавания тел, которые лежат в основе современного море- и воздухоплавания.