Закон Архимеда является законом гидростатики и аэростатики, установленным Архимедом в III веке до н.э. Он гласит, что на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, которая численно равна весу объема жидкости или газа, вытесненного телом. Физическое объяснение закона Архимеда, применение и ограничения.
Cодержание
Закон Архимеда является законом гидростатики и аэростатики, установленным Архимедом в III веке до н.э. Он гласит, что на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, которая численно равна весу объема жидкости или газа, вытесненного телом. Эта сила также известна как архимедова сила или гидростатическая подъемная сила.
Физическое объяснение закона Архимеда
Для лучшего понимания закона Архимеда, можно провести мысленный эксперимент с прямоугольным телом, погруженным в жидкость или газ. Из-за симметрии тела, силы давления на боковые грани уравновешиваются, и сосредоточены на верхней и нижней гранях.
Давление и сила давления на верхнюю грань тела обозначаются как PA и FA, соответственно. Давление и сила давления на нижнюю грань тела обозначаются как PB и FB, соответственно. Разность между силами давления FB и FA определяет силу давления жидкости или газа на тело.
Таким образом, архимедова сила равна разности давлений на верхнюю и нижнюю грани тела:
Формула для разности давлений:
Выталкивающая или подъемная сила направлена противоположно силе тяжести и прикладывается к центру тяжести объема, вытесненного телом из жидкости или газа.
Применение закона Архимеда
Закон Архимеда имеет широкое применение в различных областях. Например, он объясняет, почему некоторые предметы плавают на поверхности воды, а другие тонут. Если тело имеет плотность меньшую, чем плотность жидкости или газа, то выталкивающая сила превышает силу тяжести и тело плавает. В противном случае, если плотность тела больше, оно тонет.
Также, закон Архимеда применяется при проектировании и строительстве судов и подводных аппаратов. Плавучесть и погружение таких объектов определяются их формой, объемом и плотностью материалов.
См. также
Ограничения закона Архимеда
Важно отметить, что закон Архимеда действует только в гравитационном поле. В состоянии невесомости, например в космическом пространстве, этот закон не работает. Это объясняется тем, что сила Архимеда обусловлена силой тяжести.
Космонавты, находящиеся в состоянии невесомости, сталкиваются с отсутствием явления конвекции, что требует дополнительных мер для обеспечения охлаждения и вентиляции в космических аппаратах.
Также следует отметить, что аналог закона Архимеда применим в любом поле сил, когда тело и жидкость (газ) подвержены различным силам или находятся в неоднородном поле.
Заключение
Закон Архимеда представляет собой важный закон гидростатики и аэростатики, который объясняет выталкивающую силу, действующую на тело, погруженное в жидкость или газ. Этот закон находит широкое применение в различных областях, от судостроения до ракетостроения. Однако, следует помнить, что он действует только в гравитационном поле и не применим в условиях невесомости.
Что нам скажет Википедия?
Зако́н Архиме́да — закон гидростатики и аэростатики: на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, численно равная весу объёма жидкости или газа, вытесненного телом. Закон открыт Архимедом в III веке до н. э. Выталкивающая сила также называется архимедовой силой или гидростатической подъёмной силой (её не следует путать с аэро- и гидродинамической подъёмной силой, возникающей при обтекании тела потоком газа или жидкости).
Так как сила Архимеда обусловлена силой тяжести, то в невесомости она не действует.
В соответствии с законом Архимеда для выталкивающей силы выполняется:
Выталкивающая или подъёмная сила по направлению противоположна силе тяжести, прикладывается к центру тяжести объёма, вытесняемого телом из жидкости или газа.
Если тело плавает (см. плавание тел) или равномерно движется вверх или вниз, то выталкивающая или подъёмная сила по модулю равна силе тяжести, действующей на вытесненный телом объём жидкости или газа.
Например, воздушный шарик объёмом V, наполненный гелием, летит вверх из-за того, что плотность гелия (ρHe) меньше плотности воздуха (ρair):
Закон Архимеда можно объяснить при помощи разности гидростатических давлений на примере прямоугольного тела, погруженного в жидкость или газ. В силу симметрии прямоугольного тела, силы давления, действующие на боковые грани тела, уравновешиваются. Давление (PA) и сила давления (FA), действующие на верхнюю грань тела, равны:
Давление (PB) и сила давления (FB), действующие на нижнюю грань тела, равны:
Сила давления жидкости или газа на тело определяется разностью сил FB и FA:
Разница давлений:
В отсутствие гравитационного поля, то есть в состоянии невесомости, закон Архимеда не работает. Космонавты с этим явлением знакомы достаточно хорошо. В частности, в невесомости отсутствует явление (естественной) конвекции, поэтому, например, воздушное охлаждение и вентиляцию жилых отсеков космических аппаратов необходимо производить принудительно вентиляторами.
Некий аналог закона Архимеда справедлив также в любом поле сил, которое по-разному действуют на тело и на жидкость (газ), либо в неоднородном поле.
Вывод через мысленный эксперимент:
Если мысленно заменить погружённое в жидкость тело той же жидкостью, мысленно размещённая в том же объёме порция воды будет находиться в равновесии и действовать на окружающую воду с силой, равной силе тяжести, действующей на порцию воды. Так как перемешивания частиц воды не происходит, можно утверждать, что окружающая вода действует на выделенный объём с той же силой, но направленной в противоположном направлении, то есть с силой, равной mg=ρgV.
Условие плавания тел:
Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести FT и силы Архимеда FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:
Другая формулировка:
Примечания
