Vztlak je sila, ktorá umožňuje plavidlám plávať na vode. Termín vztlaková sila Pojem "sila vzostupný" znamená, že tekutina (buď kvapalina alebo plyn) pôsobí na predmet, ktorý je čiastočne alebo úplne ponorený do tekutiny. Vztlaková sila tiež vysvetľuje, prečo môžeme objekty zdvíhať pod vodou ľahšie ako na súši.
Kľúčové cesty: Vztlak
- Výraz vztlaková sila sa vzťahuje na silu smerujúcu nahor, ktorú tekutina vyvíja na predmet, ktorý je čiastočne alebo úplne ponorený do tekutiny.
- Vztlaková sila vzniká z rozdielov v hydrostatickom tlaku - tlaku vyvíjanom statickou tekutinou.
- Princíp Archimedes uvádza, že vztlaková sila pôsobiaca na predmet, ktorý je čiastočne alebo úplne ponorený v tekutine, sa rovná hmotnosti tekutiny, ktorá je predmetom posunutá.
Moment Eureka: Prvé pozorovanie vztlaku
Podľa rímskeho architekta Vitruviusa, gréckeho matematika a filozofa Archimedes prvý objavený vztlak v 3. storočí Pred naším letopočtom zatiaľ čo sa pýši problémom, ktorý mu spôsobil kráľ Hiero II zo Syrakúz. Kráľ Hiero mal podozrenie, že jeho zlatá koruna, vyrobená v podobe vence, nebola v skutočnosti vyrobená z čistého zlata, ale skôr zo zmesi zlata a striebra.
Údajne sa pri kúpaní Archimedes všimol, že čím viac klesol do vane, tým viac z neho vytiekla voda. Uvedomil si, že to bola odpoveď na jeho trápenie, a keď plakal „Eureka!“, Vrhol sa domov. („Našiel som to!“) Potom urobil dva predmety - jedno zlato a jedno striebro - ktoré mali rovnakú váhu ako koruna, a každý z nich spadol do nádoby naplnenej po okraj s voda.
Archimedes poznamenal, že strieborná hmota spôsobila, že z nádoby vytieklo viac vody ako zlato. Ďalej poznamenal, že jeho „zlatá“ koruna spôsobila, že z nádoby vytieklo viac vody ako čistý zlatý predmet, ktorý vytvoril, aj keď tieto dve koruny mali rovnakú váhu. Archimedes tak preukázal, že jeho koruna skutočne obsahovala striebro.
Aj keď tento príbeh ilustruje princíp vztlaku, môže to byť legenda. Archimedes nikdy nenapísal príbeh sám. Navyše, v praxi, ak by sa malé množstvo striebra skutočne vymieňalo za zlato, množstvo vytesnenej vody by bolo príliš malé na spoľahlivé meranie.
Pred objavením vztlaku sa predpokladalo, že tvar objektu určuje, či bude plávať alebo nie.
Vztlak a hydrostatický tlak
Vzrastajúca sila vyplýva z rozdielov v hydrostatický tlak - tlak vyvíjaný pomocou a statická tekutina. Guľa umiestnená vyššie v tekutine bude mať menší tlak ako rovnaká guľa umiestnená ďalej dole. Je to tak preto, že na guľu pôsobí viac tekutiny, a teda aj na väčšiu váhu, keď je hlbšie v tekutine.
Tlak v hornej časti objektu je teda slabší ako tlak v spodnej časti. Tlak je možné previesť na silu pomocou vzorca Force = Pressure x Area. K dispozícii je sieť sila smerujúce nahor. Táto čistá sila - ktorá smeruje nahor bez ohľadu na tvar objektu - je vztlaková sila.
Hydrostatický tlak je daný P = rgh, kde r je hustota tekutiny je g zrýchlenie spôsobené gravitácioua h je hĺbka vo vnútri tekutiny. Hydrostatický tlak nezávisí od tvaru tekutiny.
Princíp Archimedes
Princíp Archimedes uvádza, že vztlaková sila pôsobiaca na predmet, ktorý je čiastočne alebo úplne ponorený v tekutine, sa rovná hmotnosti tekutiny, ktorá je predmetom posunutá.
Toto je vyjadrené vzorcom F = rgV, kde r je hustota kvapaliny, g je zrýchlenie spôsobené gravitáciou a V je objem tekutiny, ktorý je predmetom posunutý. V sa rovná objemu objektu, iba ak je úplne ponorený.
Vztlaková sila je vzostupná sila, ktorá pôsobí proti gravitačnej sile. Veľkosť vztlakovej sily určuje, či sa objekt ponorí, vznáša alebo vzrastie, keď je ponorený v tekutine.
- Objekt sa ponorí, ak je gravitačná sila pôsobiaca na neho väčšia ako vztlaková sila.
- Objekt sa vznáša, ak je gravitačná sila, ktorá naň pôsobí, rovná vztlakovej sile.
- Objekt vzrastie, ak je gravitačná sila pôsobiaca naň menšia ako vztlaková sila.
Z tohto vzorca je možné vyvodiť aj niekoľko ďalších pozorovaní.
- Ponorené predmety, ktoré majú rovnaké objemy, vytlačia rovnaké množstvo tekutiny a zažijú rovnakú veľkosť vztlakovej sily, aj keď sú predmety vyrobené z rôznych materiálov. Tieto predmety sa však budú líšiť hmotnosťou a budú plávať, stúpať alebo klesať.
- Vzduch, ktorý má hustotu zhruba 800-krát nižšiu ako voda, bude mať oveľa menšiu vztlakovú silu ako voda.
Príklad 1: Čiastočne ponorená kocka
Kocka s objemom 2,0 cm3 je ponorený do polovice do vody. Aká je vztlaková sila kocky?
- Vieme, že F = rgV.
- r = hustota vody = 1 000 kg / m3
- g = gravitačné zrýchlenie = 9,8 m / s2
- V = polovica objemu kocky = 1,0 cm3 = 1.0*10-6 m3
- F = 1 000 kg / m3 * (9,8 m / s.)2) * 10-6 m3 = 0,0098 (kg * m) / s2 = 0,0098 Newtonov.
Príklad 2: Plne ponorená kocka
Kocka s objemom 2,0 cm3 je úplne ponorený do vody. Aká je vztlaková sila kocky?
- Vieme, že F = rgV.
- r = hustota vody = 1 000 kg / m3
- g = gravitačné zrýchlenie = 9,8 m / s2
- V = objem kocky = 2,0 cm3 = 2.0*10-6 m3
- F = 1 000 kg / m3 * (9,8 m / s.)2) * 2,0 * 10-6 m3 = 0,0196 (kg * m) / s2 = 0,0196 Newtonov.
zdroje
- Biello, David. „Fakt alebo fikcia?: Archimedes razil v kúpeľni termín„ Eureka! “.“ Scientific American, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
- "Hustota, teplota a slanosť." Havajská univerzita, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
- Rorres, Chris. „Zlatá koruna: Úvod.“ New York State University, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.