Kas ir peldošais spēks? Izcelsme, Principi, Formulas

Orbon Alija / Getty Images.

Peldspēja ir spēks, kas ļauj laivām un pludmales bumbiņām peldēt pa ūdeni. Termiņš peldošais spēks attiecas uz augšup vērstu spēku, ko šķidrums (vai nu šķidrums, gan gāze) iedarbojas uz objektu, kas ir daļēji vai pilnībā iegremdēts šķidrumā. Peldošais spēks arī izskaidro, kāpēc mēs varam vieglāk pacelt objektus zem ūdens nekā uz sauszemes.

Galvenās atziņas: peldošais spēks

• Termins peldošais spēks attiecas uz augšup vērstu spēku, ko šķidrums iedarbojas uz objektu, kas ir daļēji vai pilnībā iegremdēts šķidrumā.
• Peldošais spēks rodas no atšķirībām hidrostatiskais spiediens - spiediens, ko rada statisks šķidrums.
• Arhimēda princips nosaka, ka peldošais spēks, kas iedarbojas uz objektu, kas ir daļēji vai pilnībā iegremdēts šķidrumā, ir vienāds ar šķidruma svaru, ko objekts izspiež.

Eureka moments: pirmais peldspējas novērojums

Pēc romiešu arhitekta Vitruvija, grieķu matemātiķa un filozofa, teiktā Arhimēds pirmo reizi atklāta peldspēja 3. gadsimtā B.C. prātojot par problēmu, ko viņam uzdeva Sirakūzu karalis Hiero II. Karalim Hiero bija aizdomas, ka viņa zelta kronis, kas izgatavots vainaga formā, patiesībā nav izgatavots no tīra zelta, bet gan no zelta un sudraba maisījuma.

Arhimēds esot, ejot vannā, pamanījis, ka jo vairāk viņš iegrimis vannā, jo vairāk ūdens no tās iztecēja. Viņš saprata, ka tā ir atbilde uz viņa grūto stāvokli, un steidzās mājās, raudot Eureka! (Es to atradu!) Pēc tam viņš izgatavoja divus priekšmetus — vienu zelta un vienu sudraba —, kas bija tikpat smagi kā kronis, un katru nometa traukā, kas līdz malām bija piepildīts ar ūdeni.

Arhimēds novēroja, ka sudraba masa lika no trauka izplūst vairāk ūdens nekā zelta masa. Pēc tam viņš novēroja, ka viņa “zelta” kronis lika no trauka izplūst vairāk ūdens nekā viņa radītais tīrā zelta priekšmets, lai gan abiem kroņiem bija vienāds svars. Tādējādi Arhimēds pierādīja, ka viņa kronis patiešām satur sudrabu.

Lai gan šī pasaka ilustrē peldspējas principu, tā var būt leģenda. Arhimēds šo stāstu pats nekad nepierakstīja. Turklāt praksē, ja niecīgs sudraba daudzums patiešām tiktu nomainīts pret zeltu, izspiestā ūdens daudzums būtu pārāk mazs, lai to varētu ticami izmērīt.

Pirms peldspējas atklāšanas tika uzskatīts, ka objekta forma nosaka, vai tas peldēs vai nē.

Peldspēja un hidrostatiskais spiediens

Peldošais spēks rodas no atšķirībām hidrostatiskais spiediens – spiediens, ko rada a statisks šķidrums . Bumba, kas ir novietota augstāk šķidrumā, piedzīvos mazāku spiedienu nekā tā pati bumba, kas novietota zemāk. Tas ir tāpēc, ka ir vairāk šķidruma un līdz ar to arī lielāks svars, kas iedarbojas uz bumbu, kad tā atrodas dziļāk šķidrumā.

Tādējādi spiediens objekta augšpusē ir vājāks nekā spiediens apakšā. Spiedienu var pārvērst spēkā, izmantojot formulu Spēks = spiediens x laukums. Ir tīkls spēku vērsts uz augšu. Šis neto spēks, kas ir vērsts uz augšu neatkarīgi no objekta formas, ir peldspējas spēks.

Hidrostatisko spiedienu nosaka ar P = rgh, kur r ir blīvums no šķidruma, g ir paātrinājums gravitācijas dēļ , un h ir dziļums šķidruma iekšpusē. Hidrostatiskais spiediens nav atkarīgs no šķidruma formas.

Arhimēda princips

The Arhimēda princips norāda, ka peldošais spēks, kas iedarbojas uz objektu, kas ir daļēji vai pilnībā iegremdēts šķidrumā, ir vienāds ar šķidruma svaru, ko objekts izspiež.

To izsaka ar formulu F = rgV, kur r ir šķidruma blīvums, g ir gravitācijas paātrinājums, un V ir šķidruma tilpums, ko objekts izspiež. V ir vienāds ar objekta tilpumu tikai tad, ja tas ir pilnībā iegremdēts.

Peldošais spēks ir uz augšu vērsts spēks, kas ir pretrunā lejupejošajam gravitācijas spēkam. Peldošā spēka lielums nosaka, vai objekts nogrims, peldēs vai pacelsies, kad tas tiks iegremdēts šķidrumā.

• Objekts nogrims, ja gravitācijas spēks, kas uz to iedarbojas, ir lielāks par peldošo spēku.
• Objekts peldēs, ja gravitācijas spēks, kas uz to iedarbojas, ir vienāds ar peldošo spēku.
• Objekts pacelsies, ja gravitācijas spēks, kas uz to iedarbojas, ir mazāks par peldošo spēku.

No formulas var izdarīt arī vairākus citus novērojumus.

• Iegremdēti objekti, kuriem ir vienāds tilpums, izspiedīs tādu pašu šķidruma daudzumu un piedzīvos tādu pašu peldošo spēku, pat ja objekti ir izgatavoti no dažādiem materiāliem. Tomēr šie objekti atšķirsies pēc svara un peldēs, pacelsies vai nogrims.
• Gaiss, kura blīvums ir aptuveni 800 reižu mazāks nekā ūdens, piedzīvos daudz mazāku peldošo spēku nekā ūdens.

1. piemērs: daļēji iegremdēts kubs

Kubs ar tilpumu 2,0 cm³ir līdz pusei iegremdēts ūdenī. Kāds ir peldošais spēks, ko izjūt kubs?

• Mēs zinām, ka F = rgV.
• r = ūdens blīvums = 1000 kg/m³
• g = gravitācijas paātrinājums = 9,8 m/s^divi
• V = puse no kuba tilpuma = 1,0 cm³= 1,0*10^-6m³
• Tādējādi F = 1000 kg/m³* (9,8 m/s^divi) * 10^-6m³= 0,0098 (kg*m)/s^divi= 0,0098 ņūtoni.

2. piemērs. Pilnībā iegremdēts kubs

Kubs ar tilpumu 2,0 cm³ir pilnībā iegremdēts ūdenī. Kāds ir peldošais spēks, ko izjūt kubs?

• Mēs zinām, ka F = rgV.
• r = ūdens blīvums = 1000 kg/m3
• g = gravitācijas paātrinājums = 9,8 m/s^divi
• V = kuba tilpums = 2,0 cm³= 2,0*10^-6m3
• Tādējādi F = 1000 kg/m³* (9,8 m/s^divi) * 2,0*10-6 m³= 0,0196 (kg*m)/s^divi= 0,0196 ņūtoni.

Avoti

• Biello, Deivids. Fakts vai daiļliteratūra?: Arhimēds vannā ieviesa terminu “Eureka!”. Zinātniskais amerikānis , 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
• Blīvums, temperatūra un sāļums. Havaju universitāte , https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
• Rores, Kriss. Zelta kronis: ievads. Ņujorkas štata universitāte , https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.