Plovidba je sila koja omogućuje da čamci i plažne kugle plutaju po vodi. Uvjet plutajuća sila se odnosi na silu usmjerenu prema gore koju fluid (bilo tekućina ili plin) djeluje na objekt koji je djelomično ili potpuno uronjen u fluid. Plavušna sila objašnjava i zašto objekte pod vodom možemo podići lakše nego na kopnu.
Ključni odvodi: plutajuća sila
- Izraz plovna sila odnosi se na sila usmjerenu prema gore koju fluid djeluje na objekt koji je djelomično ili potpuno uronjen u fluid.
- Snaga uzgona nastaje zbog razlika u hidrostatskom tlaku - tlaku koji stvara statička tekućina.
- Arhimedov princip kaže da je plovna sila koja djeluje na objekt koji je djelomično ili u potpunosti potopljen u neku tekućinu jednaka težini tečnosti koju predmet pomiče.
Eureka trenutak: prvo promatranje uzgona
Prema rimskom arhitektu Vitruviju, grčkom matematičaru i filozofu Arhimed prvi put otkrio uzgon u 3. st prije Krista dok je zagonetao nad problemom koji mu je postavio sirakuški kralj Hiero II. Kralj Hiero sumnjao je da njegova zlatna kruna, izrađena u obliku vijenca, zapravo nije izrađena od čistog zlata, već od mješavine zlata i srebra.
Navodno, dok se kupao, Arhimed je primijetio da što više tone u kadu, više vode iz nje istječe. Shvatio je da je to odgovor na njegovo nevolje i pojurio je kući dok je plakao "Eureka!" ("Našao sam ga!") Zatim je napravio dva predmeti - jedno zlato i jedno srebro - bili su iste težine kao kruna i svaki ih je bacio u posudu napunjenu do ruba voda.
Arhimed je opazio da je srebrna masa uzrokovala da iz posude istječe više vode nego zlatna. Zatim je primijetio da njegova "zlatna" kruna uzrokuje da više vode istječe iz posude od predmeta iz čistog zlata koji je stvorio, iako su dvije krune bile jednake težine. Tako je Arhimed pokazao da njegova kruna doista sadrži srebro.
Iako ova priča ilustrira princip uzgona, možda je legenda. Arhimed nikada nije sam zapisao priču. Nadalje, u praksi, ako bi se za zlato zaista zamijenila sitna količina srebra, količina pomjerene vode bila bi premala da bi se pouzdano izmjerila.
Prije otkrića uzgona, vjerovalo se da oblik predmeta određuje hoće li ili ne plutati.
Plovidljivost i hidrostatski tlak
Uzgojna sila proizlazi iz razlika u hidrostatski tlak - pritisak vršen od a statička tekućina. Lopta koja je postavljena više u tekućinu osjetit će manji pritisak od iste kugle postavljene dalje prema dolje. To je zato što ima više tekućine, a samim tim i veće težine, djelujući na loptu kad je dublje u tekućini.
Stoga je tlak na vrhu nekog predmeta slabiji od pritiska na dnu. Tlak se može pretvoriti u silu pomoću formule Force = Tlak x Površina. Postoji mreža sila usmjerena prema gore. Ta neto sila - koja usmjerava prema gore bez obzira na oblik predmeta - jeste sila uzgona.
Hidrostatski tlak je dan P = rgh, gdje je r the gustoća tekućine, g je ubrzanje zbog gravitacije, a h je dubina unutar tekućine. Hidrostatski tlak ne ovisi o obliku tekućine.
Arhimedovo načelo
Arhimedov princip kaže da je uzgojna sila koja djeluje na predmet koji je djelomično ili potpuno uronjen u fluid, jednaka težini fluida koji se istiskuje od objekta.
To se izražava formulom F = rgV, gdje je r gustoća tekućine, g je ubrzanje zbog gravitacije, a V volumen tekućine koji se pomiče objektom. V je jednak obujmu predmeta samo ako je potpuno potopljen.
Naletna sila je sila koja je suprotstavljena sila gravitacije prema dolje. Jačina plovne sile određuje hoće li predmet potonuti, plutati ili se uzdići kad je potopljen u tekućinu.
- Objekt će potonuti ako je gravitaciona sila koja djeluje na njega veća od uzgonske sile.
- Objekt će plutati ako je gravitaciona sila koja djeluje na njega jednaka uzgonskoj sili.
- Objekt će se povećati ako gravitacijska sila koja djeluje na njega manja je od plovačke sile.
Iz formule se može izvući i nekoliko drugih opažanja.
- Potopljeni predmeti koji imaju jednaku količinu istisnut će istu količinu tekućine i iskusiti istu veličinu plovne sile, čak i ako su predmeti izrađeni od različitih materijala. Međutim, ti će se predmeti razlikovati po težini i plutati, uzdizati se ili potonuti.
- Zrak koji je gustoća otprilike 800 puta niži od vode doživljavat će mnogo manju plovnu silu od vode.
Primjer 1: Djelomično uronjena kocka
Kocka s volumenom od 2,0 cm3 potopljen je na pola puta u vodu. Koja je plovna sila koju doživljava kocka?
- Znamo da je F = rgV.
- r = gustoća vode = 1000 kg / m3
- g = gravitacijsko ubrzanje = 9,8 m / s2
- V = polovica volumena kocke = 1,0 cm3 = 1.0*10-6 m3
- Dakle, F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 10-6 m3 = .0098 (kg * m) / s2 = .0098 Njuti.
Primjer 2: Potpuno uronjena kocka
Kocka s volumenom od 2,0 cm3 potopljen je u potpunosti u vodu. Koja je plovna sila koju doživljava kocka?
- Znamo da je F = rgV.
- r = gustoća vode = 1000 kg / m3
- g = gravitacijsko ubrzanje = 9,8 m / s2
- V = volumen kocke = 2,0 cm3 = 2.0*10-6 m3
- Dakle, F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 2,0 * 10-6 m3 = .0196 (kg * m) / s2 = .0196 Newtons.
izvori
- Biello, David. "Činjenica ili fikcija? Arhimed je u kupelji skovao termin" Eureka! " Znanstveni američki, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
- "Gustoća, temperatura i slanost." Sveučilište na Havajima, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
- Rorres, Chris. "Zlatna kruna: uvod." Državno sveučilište New York, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.