Prawo Archimedesa
Kiedy wychodzisz z basenu na brzeg, to masz wrażenie, że ważysz więcej. Ciężar zależy od masy. Ale masa w czasie przebywania w wodzie jest taka sama jak poza basenem! Okazuje się, że w wodzie działa na nas dodatkowo siła wyporu. Dowiedz się, dlaczego ta siła się pojawia i od czego zależy jej wartość.
definicję ciśnienia jako wielkości fizycznej będącej stosunkiem działającej siły do powierzchni, na jaką ta siła działa;
jak wykazać, że paskal () to podstawowa jednostka ciśnienia w układzie SI;
treść prawa Pascala;
definicję ciśnienia hydrostatycznego jako ciśnienia wywieranego przez słup cieczy będącej w spoczynku;
zależność ciśnienia hydrostatycznego od wysokości słupa cieczy, gęstości cieczy i przyspieszenia grawitacyjnego ;
jak wykazać, że ciśnienie aerostatyczne wywierane jest przez gazy będące w spoczynku;
jak mierzyć ciężar ciała za pomocą siłomierza lub odpowiedniej wagi;
jak obliczać gęstość ciała jako stosunku masy ciała do jego objętości.
posługiwać pojęciem siły wyporu;
wymieniać cechy siły wyporu;
podawać warunek pływania i przewidywać, czy dane ciało będzie pływać, czy – tonąć;
wskazywać przykłady wpływu siły wyporu na ciała w otaczającym nas świecie;
ilustrować graficznie siły działające na ciało zanurzone w cieczy i gazie;
wyznaczać doświadczalnie wartość siły wyporu za pomocą siłomierza;
podawać treść prawa Archimedesa dla cieczy i gazów.
Siła wyporu
Czy ciężar ciała ulega zmianie po zanurzeniu w wodzie? Dlaczego wydaje się nam, że jesteśmy lżejsi podczas kąpieli w wannie, niż gdy z niej wyjdziemy?
Skąd bierze się ta odczuwalna różnica w ciężarze? Przecież masa ciała nie ulega zmianie. Aby znaleźć odpowiedź na to pytanie, przeprowadź doświadczenie.
Czy woda wpływa na ciężar zanurzonego w niej ciała?
Ciężar ciała zanurzonego w wodzie jest mniejszy od ciężaru tego samego ciała znajdującego się w powietrzu.
siłomierz;
statyw;
prostopadłościany o tych samych wymiarach, wykonane z różnych metali, np. z miedzi, aluminium i mosiądzu;
zlewka z wodą.
Na cienkiej nitce lub druciku zawieś pierwszy prostopadłościan. Za pomocą siłomierza wyznacz ciężar tego prostopadłościanu.
Wynik zapisz w tabeli.
Zawieszony prostopadłościan zanurz całkowicie w zlewce z wodą; nie zanurzaj haczyka samego siłomierza.
Odczytaj ponownie wynik i zapisz wskazania siłomierza.
Wykonaj takie same pomiary dla pozostałych prostopadłościanów.
Doświadczenie pokazało, że wskazania siłomierza podczas pomiaru, gdy ciało było zanurzone w wodzie, są mniejsze niż podczas pomiaru, gdy znajdowało się ono w powietrzu. Różnica między pomiarami nie zależy od materiału, z jakiego wykonane są prostopadłościany i jest zawsze stała, pod warunkiem że ich objętości są takie same. Zaobserwowana prawidłowość dotyczy wszystkich cieczy.
Wyjaśnijmy to zjawisko: na ciało zanurzone w dowolnej cieczy działa dodatkowa siła, która ma zwrot przeciwny w stosunku do siły grawitacji. Wielkość tej siły można łatwo zmierzyć – jej wartość jest równa różnicy między wskazaniami siłomierza, gdy ciało znajduje się w powietrzu i gdy jest zanurzone w cieczy. Siła ta nazywana jest siłą wyporu, a jej wartość nie zależy od rodzaju substancji, z której wykonane jest dane ciało.
siła działająca na ciało zanurzone w cieczy, zwrócona ku górze, czyli przeciwnie do ciężaru ciała.
Przeczytaj poniższe zdania. Które z nich są prawdziwe, a które fałszywe?
| Prawda | Fałsz | |
| Po zanurzeniu ciał w wodzie maleje ich masa a tym samym ciężar. | □ | □ |
| Na ciała zanurzone w wodzie działa dodatkowa siła zwrócona ku górze. | □ | □ |
| We wszystkich cieczach na zanurzone w nich ciała działa siła wyporu. | □ | □ |
Od czego zależy siła wyporu
Wiemy już, czym jest siła wyporusiła wyporu. Wiemy również, że na jej wielkość nie ma wpływu materiał, z jakiego zbudowane jest dane ciało. Spróbujmy teraz znaleźć te wielkości fizyczne, od których zależy siła wyporu.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RswKHkAH0OSzb
Materiał dotyczący wpływu wielkości fizycznych na siłę wyporu.
Czy siła wyporu zależy od kształtu ciała? Jak zmieni się siła wyporu, gdy w cieczy najpierw zanurzymy ciało o większej objętości, a następnie – o mniejszej. Zaprojektuj i przeprowadź doświadczenie.
Czy siła wyporu zależy od gęstości cieczy, w której zanurzone jest ciało? Zaprojektuj i przeprowadź doświadczenie.
Podczas doświadczenia wykonanego w poprzedniej części lekcji mogliście stwierdzić, że siła wyporu nie zależy od rodzaju ciała; jest taka sama dla dwóch ciał, pod warunkiem że ich objętości są jednakowe.
Wykonałeś doświadczenia opisane w poniższych poleceniach:
czy siła wyporu zależy od kształtu ciała i od jego objętości?
czy siła wyporu zależy od gęstości cieczy, w której zanurzone jest ciało?
Dzięki nim mogłeś się przekonać, że siła wyporu działająca na ciało zanurzone w cieczy zależy zarówno od objętości ciała, jak i od gęstości cieczy.
Można jeszcze przeprowadzić doświadczenia badające, czy siła wyporu zależy od: ilości cieczy, w której zanurzamy ciało, gęstości lub kształtu tego ciała o tej samej objętości. Jednak siła wyporu nie zależy od tych czynników.
Wniosek z przeprowadzonych doświadczeń jest następujący: Jeżeli ciało zanurzone jest całkowicie, to objętość wypartej cieczy jest równa objętości ciała. Aby obliczyć masę wypartej cieczy, wystarczy przekształcić wzór na gęstość:
gdzie: – masa wypartej cieczy; – gęstość cieczy; – objętość zanurzonego ciała.
Ciężar cieczy wypartej przez ciało wynosi:
gdzie: – ciężar wypartej cieczy; – przyspieszenie ziemskie.
Wyznaczyć wielkość siły wyporu działającej na woreczek z wodą zanurzony w wodzie.
plastikowy woreczek;
gumka recepturka;
zlewka z wodą;
siłomierz.
Napełnij wodą plastikowy woreczek i zawiąż go szczelnie, najlepiej gdy trzymasz go pod wodą (całkowicie zanurzony), tak aby w środku nie pozostały pęcherzyki powietrza.
Za pomocą siłomierza zważ woreczek, gdy ten znajduje się w powietrzu i gdy jest zanurzony. Wyznacz wielkość siły wyporu działającej na ten woreczek po zanurzeniu go w wodzie.
Siłomierz wskazał wielkość siły wynoszącą w przybliżeniu . Jak wyjaśnić rezultat tego doświadczenia? Siła wyporu zrównoważyła ciężar woreczka z wodą! Mogło tak się stać, ponieważ ciecz w woreczku i ciecz, w której został on zanurzony, były takie same. Ciężar ciała wynosi:
gdzie: – masa ciała (woreczka z wodą); – przyspieszenie ziemskie. Ponieważ , zatem:
gdzie: – gęstość wody.
Ze wzorów na ciężar wypartej cieczy i zanurzonego w niej ciała zanurzonego otrzymujemy:
Ciężar ciała w naszym doświadczeniu równy jest wartości siły wyporu , która z kolei odpowiada ciężarowi wypartej wody .
Powyższa zależność oraz wyniki doświadczeń przeprowadzonych na filmie pt. „Od czego zależy siła wyporu?” pozwalają wyciągnąć wniosek, że równość siły wyporu i ciężaru wypartej cieczy:
ma charakter ogólny.
Siła wyporu jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez ciało zanurzone w cieczy.
Wybierz prawidłowe zakończenie zdania.
odwrotnie proporcjonalną, wprost proporcjonalną, złożoną, kwadratową
Zależność wartości siły wyporu od objętości zanurzonego ciała jest zależnością ...................................................
Prawo Archimedesa dla cieczy
Jak głosi legenda, Archimedes z SyrakuzArchimedes z Syrakuz – grecki uczony żyjący w wieku p.n.e. – podczas kąpieli w wannie odkrył, że ciało wypiera tyle wody, ile ma objętości. Pozwoliło to Archimedesowi rozwikłać zagadkę, z jakiego materiału wykonana jest korona króla Syrakuz. Złoto ma większą gęstość niż srebro, a zatem korona ze złota ma mniejszą objętość niż korona z zawartością srebra. Innymi słowy: złota korona wypiera mniej wody niż korona z domieszką srebra. Mimo że obie korony mają tę samą masę, druga z nich ma większą objętość (z powodu zawartości srebra).
Prawo Archimedesa określa siłę wyporu jako ciężar cieczy wypartej przez ciało. Jest zgodne z wnioskami płynącymi z naszych wcześniejszych doświadczeń.
Na każde ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu zwrócona ku górze i równa pod względem wartości ciężarowi wypartej cieczy.
Wartość siły wyporu obliczamy według wzoru:
gdzie:
– gęstość wypartej cieczy;
– objętość wypartej cieczy;
– przyspieszenie ziemskie.
Zastanówmy się teraz, skąd bierze się siła wyporu i jak można obliczyć jej wartość.
Siłomierz wskazuje: Możliwe odpowiedzi: 1. różnicę między wartością siły ciężkości a wartością siły wyporu działających na ciało., 2. siłę ciężkości działającą na ciało., 3. siłę wyporu działającą na ciało.
Tonąć albo nie tonąć – oto jest pytanie
Dlaczego niektóre ciała toną, a inne – nie? Zapewne nie zaskoczy nikogo wynik eksperymentu polegającego na wrzuceniu metalowej śruby do wody. Spójrzmy na ten problem od strony fizyki.
Jakie siły działają na ciało zanurzone w cieczy? Działają na nie siła wyporu , zwrócona ku górze, oraz siła ciężkości , zwrócona w dół. Gdy ciało tonie, siła wyporu ma mniejszą wartość od siły ciężkości i ciało opada na dno .
Ciężar cieczy wypartej przez ciało jest mniejszy niż ciężar zanurzonego ciała. Ponieważ objętość wypartej cieczy i objętość zanurzonego ciała są takie same, można wyciągnąć wniosek, że gęstość cieczy jest mniejsza od gęstości ciała.
Ciało tonie w cieczy, gdy jego gęstość jest większa niż gęstość cieczy, w której jest ono zanurzone.
Uzupełnij luki w zdaniach, wpisując odpowiednią liczbę lub słowo: górę, bądź dół. Gęstość figurki wynosiła Tu uzupełnij .Ciężar figurki w powietrzu wynosił Tu uzupełnij .Wartość siły wyporu w wodzie wynosiła Tu uzupełnij .Wypadkowa siła działająca na figurkę umieszczoną w wodzie wynosiła Tu uzupełnij i miała zwrot w Tu uzupełnij.
W wodzie o gęstości zanurzono figurkę o masie 125 g i objętości . Przyspieszenie ziemskie wynosi .
Z podanych informacji wynika, że:
Gęstość figurki wynosiła ............ . Ciężar figurki w powietrzu wynosił ............ N.
Wartość siły wyporu w wody wynosiła ............ N.
Wypadkowa siła działająca na figurkę umieszczoną w wodzie wynosiła ............ N i miała zwrot w .............
Dlaczego ciała pływają?
Gdy wartości siły wyporu i siły ciężkości są sobie równe (siły i się równoważą), to ciało pływa, przy czym jest całkowicie lub częściowo zanurzone. Jeśli jest zanurzone w całości, gęstości ciała i cieczy są sobie równe.
Ciała nie toną i pływają całkowicie zanurzone w cieczy (na dowolnej głębokości), gdy ich gęstość jest równa gęstości cieczy.
Gdy siła wyporu jest większa od ciężaru ciała , ciało wypływa na powierzchnię cieczy. Trwa to dopóty, dopóki ciężar ciała nie zostanie całkowicie zrównoważony przez siłę wyporu .
Ciała pływają w cieczy częściowo zanurzone, gdy ich gęstości są mniejsze od gęstości cieczy, w której zostały zanurzone.
Skorzystaj z poniższej aplikacji i przeprowadź samodzielnie eksperymenty dotyczące siły wyporu i jej zależności od gęstości cieczy, od objętości zanurzonego ciała oraz rodzaju materiału, z jakiego wykonano ciało. Jaki wniosek można wyciągnąć z tego doświadczenia?
Skorzystaj z poniższej aplikacji w której można przeprowadzić eksperymenty dotyczące siły wyporu i jej zależności od gęstości cieczy, od objętości zanurzonego ciała oraz rodzaju materiału, z jakiego wykonano ciało. Jaki wniosek można wyciągnąć z tego doświadczenia?
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/b/PtqBFfq0h
Aplikacja symulująca warunki pływalności ciał. Na brukowanej podłodze znajdują się dwa klocki. Jeden klocek zbudowany z desek, drugi z cegieł. Między klockami głębokie wgłębienie w podłodze. Prawie całe wgłębienie wypełnia ciecz, a na jego dnie stoi waga wskazująca zero niutonów. Cieczą może być, do wyboru, woda albo olej. Aplikacja umożliwia ustalenie masy, gęstości albo objętości klocków oraz wyświetlanie wektorów ich ciężaru, siły wyporu i ich wartości.
STAŁA MASA.
Przy stałej masie oba klocki ważą jeden i sześć dziesiątych kilograma, siła ciężkości dla każdego z nich skierowana jest w dół i wynosi piętnaście i sześćdziesiąt dziewięć setnych niutona. Klocek drewniany jest większy.
Ustalamy, że we wgłębieniu znajduje się woda.
Wrzucamy klocek drewniany. Poziom wody podnosi się. Klocek nie zanurza się cały, około pięć ósmych jego objętości znajduje się pod wodą. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa piętnaście i sześćdziesiąt dziewięć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Wrzucamy klocek ceglany. Poziom wody podnosi się. Klocek zanurza się cały i opada na dno. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa dziewięć i osiemdziesiąt jeden setnych niutona. Gdy upuszczamy go tak, by opadł na wagę, waga wskazuje pięć i osiemdziesiąt osiem setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Ustalamy, że we wgłębieniu znajduje się olej.
Wrzucamy klocek drewniany. Poziom oleju podnosi się. Klocek nie zanurza się cały, około sześć ósmych jego objętości znajduje się pod powierzchnią oleju. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa piętnaście i sześćdziesiąt dziewięć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Wrzucamy klocek ceglany. Poziom oleju podnosi się. Klocek zanurza się cały i opada na dno. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa osiem i trzydzieści cztery setne niutona. Gdy upuszczamy go tak, by opadł na wagę, waga wskazuje siedem i trzydzieści pięć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
STAŁA GĘSTOŚĆ.
Przy stałej gęstości klocek drewniany zmienia się w klocek ceglany o masie cztery i osiem dziesiątych kilograma i skierowanej w dół sile ciężkości o wartości czterdzieści siedem i siedem setnych niutona. Drugi klocek waży jeden i sześć dziesiątych kilograma, a skierowana w dół siła ciężkości wynosi piętnaście i sześćdziesiąt dziewięć setnych niutona. Pierwszy klocek jest dużo większy od druiego.
Ustalamy, że we wgłębieniu znajduje się woda.
Wrzucamy większy klocek. Poziom wody podnosi się. Klocek zanurza się cały i opada na dno. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa dwadzieścia dziewięć i czterdzieści dwie setne niutona. Gdy upuszczamy go tak, by opadł na wagę, waga wskazuje siedemnaście i sześćdziesiąt pięć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Wrzucamy mniejszy klocek ceglany. Poziom wody podnosi się. Klocek zanurza się cały i opada na dno. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa dziewięć i osiemdziesiąt jeden setnych niutona. Gdy upuszczamy go tak, by opadł na wagę, waga wskazuje pięć i osiemdziesiąt osiem setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Ustalamy, że we wgłębieniu znajduje się olej.
Wrzucamy większy klocek. Poziom oleju podnosi się. Klocek zanurza się cały i opada na dno. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa dwadzieścia pięć i jedną setną niutona. Gdy upuszczamy go tak, by opadł na wagę, waga wskazuje dwadzieścia dwa i sześć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Wrzucamy mniejszy klocek ceglany. Poziom oleju podnosi się. Klocek zanurza się cały i opada na dno. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa osiem i trzydzieści cztery setne niutona. Gdy upuszczamy go tak, by opadł na wagę, waga wskazuje siedem i trzydzieści pięć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
STAŁA OBJĘTOŚĆ.
Przy stałej objętości klocek drewniany ma masę ośmiu dziesiątych kilograma i skierowaną w dół siłę ciężkości o wartości siedem i osiemdziesiąt pięć setnych niutona. Drugi klocek waży jeden i sześć dziesiątych kilograma, a skierowana w dół siła ciężkości wynosi piętnaście i sześćdziesiąt dziewięć setnych niutona.
Ustalamy, że we wgłębieniu znajduje się woda.
Wrzucamy klocek drewniany. Poziom wody podnosi się. Klocek nie zanurza się cały, około sześć ósmych jego objętości znajduje się pod wodą. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa siedem i osiemdziesiąt pięć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Wrzucamy klocek ceglany. Poziom wody podnosi się. Klocek zanurza się cały i opada na dno. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa dziewięć i osiemdziesiąt jeden setnych niutona. Gdy upuszczamy go tak, by opadł na wagę, waga wskazuje pięć i osiemdziesiąt osiem setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Ustalamy, że we wgłębieniu znajduje się olej.
Wrzucamy klocek drewniany. Poziom oleju podnosi się. Klocek nie zanurza się cały, około siedem ósmych jego objętości znajduje się pod powierzchnią oleju. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa piętnaście i sześćdziesiąt dziewięć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Wrzucamy klocek ceglany. Poziom oleju podnosi się. Klocek zanurza się cały i opada na dno. Teraz, oprócz ciężkości, działa na niego skierowana do góry siła wyporu, równa osiem i trzydzieści cztery setne niutona. Gdy upuszczamy go tak, by opadł na wagę, waga wskazuje siedem i trzydzieści pięć setnych niutona. Wyjmujemy klocek.
Które zakończenia zdania jest prawdziwe, a które fałszywe? Klocek drewniany pływa częściowo zanurzony, gdy…
| Prawda | Fałsz | |
| Gęstość drewna, z którego wykonano klocek, jest równa gęstości wody. | □ | □ |
| Gęstość drewna, z którego wykonano klocek, jest mniejsza od gęstości wody. | □ | □ |
| Gęstość klocka jest większa niż gęstość wody, w której jest zanurzony. | □ | □ |
Dlaczego statki pływają po powierzchni wody, mimo że wykonane są ze stali, której gęstość jest blisko razy większa od gęstości wody?
Aby statek nie zatonął, musi wyprzeć odpowiednio dużą objętość wody. Przyjrzyjmy się jego budowie.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R16NOgwvypQuK
Materiał dotyczący konstrukcji kadłuba statku.
Ukształtowanie kadłuba w formie cienkiej stalowej skorupy, która jest pusta w środku, powoduje, że objętość wody, jaką kadłub wypiera, jest wystarczająco duża, by siła wyporu zrównoważyła ciężar statku i jego ładunku. Dzięki temu jednostka pływająca może bezpiecznie dotrzeć do portu.
Każdy statek wypiera ogromną ilość wody. Masę wypartej wody nazywa się wypornością statku i wyraża się ją w tonach.
Każdy statek podczas załadunku zwiększa swoją głębokość zanurzenia i ze względów bezpieczeństwa określa się dopuszczalną ładowność statku.
Ładowność ta będzie różna w zależności od tego, czy statek stoi w wodzie słonej, czy – słodkiej, i od tego, czy załadunek odbywa się zimą, czy – latem. Znakiem informującym o tym, czy nie przekroczono dopuszczalnej masy załadunku, jest znak wolnej burty.
Oznaczenia na rysunku wskazują, do jakiej linii na burcie może zanurzyć się statek. Wyjaśnijmy, co kryje się za powyższymi skrótami: TF – tropikalna woda słodka; F – woda słodka; T – tropikalna woda słona; S – woda słona w porze letniej; W lub Z – woda słona w porze zimowej; ZAP (nie ma oznaczenia na rysunku i zdjęciu, powinno być poniżej W) – woda słona w porze zimowej dla Atlantyku Północnego.
Morze Martwe to w rzeczywistości bardzo duże jezioro znajdujące się na granicy między Izraelem a Jordanią.
Zasolenie wody w Morzu Martwym jest aż dziesięciokrotnie wyższe od zasolenia wód Bałtyku! Sól jest zabójcza prawie dla wszystkich żywych organizmów i jej zawartość w Morzu Martwym wynosi aż . Czy już domyślasz się, skąd wzięła się jego nazwa? Gęstość tak bardzo słonej wody jest znacznie większa od gęstości wody słodkiej i – jak to wiemy z prawa Archimedesa – ma to wpływ na wielkość siły wyporu. Jest ona na tyle duża, że bez problemu pozwala zrównoważyć ciężar człowieka unoszącego się na powierzchni wody. W Morzu Martwym bardzo trudno jest się utopić!
Zanurzanie i wynurzanie łodzi podwodnej
Dzięki zalaniu zbiorników balastowych wodą możliwe jest zanurzenie. Wtedy średnia gęstość łodzi wzrasta wzrasta, a siła wyporu staje się mniejsza od ciężaru statku. Gdy łódź podwodna chce się wynurzyć, do zbiorników balastowych wtłaczane jest sprężone powietrze, które wypycha z nich wodę – wtedy łódź wypływa na powierzchnię lub zmniejsza zanurzenie. Średnia gęstość maleje, a siła wyporu przewyższa ciężar statku.
Areometr to przyrząd do wyznaczania gęstości cieczy, wykorzystujący prawo Archimedesa.
Areometr składa się z zamkniętej, wąskiej, szklanej rurki. W jego dolnej części znajduje się obciążenie w postaci zbiorniczka z rtęcią lub kuleczkami śrutu. Dzięki temu areometr utrzymuje się w pionie i pływa w cieczy. Gdy areometr pływa (jest częściowo zanurzony w cieczy), to jego ciężar jest równoważony przez siłę wyporu (prawo Archimedesa). Im mniejsza jest gęstość tej cieczy, tym większa musi być objętość wypartej cieczy, by zrównoważyć ciężar przyrządu. W cieczach o mniejszej gęstości areometr zanurza się głębiej, a w cieczach o większej gęstości – płycej. Wystarczy więc tylko nanieść odpowiednią skalę w górnej części areometru, by wygodnie mierzyć gęstości różnych płynów.
Batyskaf to jednostka pływająca pozwalająca zanurzać się na największe głębokości morskie dostępne na Ziemi (np. Rów Mariański – ok. ). Jest to taki podmorski balon. Załoga podróżuje w szczelnej, kulistej gondoli, wykonanej z grubej stali. Taki kształt pozwala przeciwstawić się ekstremalnym ciśnieniom. Gondola podwieszona jest pod wielkim pływakiem wypełnionym w całości lekką cieczą, najczęściej benzyną. Pływak to odpowiednik powłoki balonu wypełnionej gazem o gęstości mniejszej od powietrza. Dzięki temu, że pływak wypełniony jest nieściśliwą cieczą, nie ulega on zgnieceniu nawet pod wpływem wielkich ciśnień panujących na dużych głębokościach. Wynurzenie (czyli ruch w górę) – podobnie jak w balonie wypełnionym gazem – następuje po wyrzuceniu balastu w postaci metalowego śrutu.
Zastanów się i zapisz, dlaczego balony nie są już wypełniane wodorem, tylko helem.
Siła wyporu w gazach
Wiemy, co jest źródłem siły wyporu działającej na ciała zanurzone w cieczy. Czy podobna siła wyporu będzie działać na ciała zanurzone w gazie?
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1dsxTPEgaGCE
Materiał dotyczący siły wyporu w gazach.
Jeden balonik jest wypełniony powietrzem (na filmie oznaczonym symbolicznie ), a drugi helem. Z tego doświadczenia można wywnioskować, że na ciała zanurzone w gazie (podobnie jak dzieje się to w przypadku cieczy), działa siła wyporu. I jest tak w rzeczywistości.
Prawo Archimedesa dla gazów: Na każde ciało zanurzone w gazie działa siła wyporu zwrócona ku górze i równa pod względem wartości ciężarowi gazu wypartego przez to ciało.
września roku w Wersalu odbyło się widowisko zapierające dech. Tuż po godzinie dwunastej wzniósł się w górę po raz pierwszy balon na gorące powietrze. Był to pierwszy taki lot w historii. Pasażerami zaś były kogut, owca oraz kaczka.
Balon osiągnął wysokość i przeleciał dystans ok. . Jego konstruktorami byli francuscy papiernicy – bracia Joseph i Jacques Montgolfier.
Eksperymentowali oni wcześniej z papierowymi torebkami wypełnianymi gorącym dymem z ogniska. Z czasem wykonywali coraz większe torebki, aż w końcu skonstruowali balon o średnicy ponad . Dzień czerwca r., kiedy to po raz pierwszy wzniósł się ich największy wówczas balon (jeszcze bez załogi) uznano za moment narodzin lotnictwa.
Człowiek po raz pierwszy wzniósł się w balonie w październiku r., ale wtedy balon był na uwięzi. Już miesiąc później odbył się swobodny lot na wysokości . W czasie – minutowego lotu ludzie w koszu balonu pokonali odległość .
W tym samym czasie konstruowano balony wypełniane wodorem. Pierwszy lot ludzi w takim balonie odbył się grudnia roku.
Obecnie balony są wypełniane albo gorącym powietrzem, albo helem.
Podsumowanie
Zwykle prawo Archimedesa formułujemy wspólnie dla cieczy i gazów.
Prawo Archimedesa
Na każde ciało zanurzone w cieczy (lub gazie) działa siła wyporu zwrócona ku górze i równa pod względem wartości ciężarowi wypartej cieczy (lub wypartego gazu).
Prawo Archimedesa znalazło szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu i techniki, zaczynając od transportu wodnego, a kończąc na lotnictwie.
Ciało tonie w cieczy lub gazie | Ciało unosi się na dowolnej głębokości w cieczy lub gazie | Ciało unosi się na powierzchni cieczy (częściowo zanurzone) |
|---|---|---|
Ciało opada na dno naczynia, w którym znajduje się ciecz lub gaz. | Ciało pływa na pewnej głębokości w cieczy lub gazie. | Ciało wypływa, ale jest częściowo zanurzone w cieczy. |
Siła ciężkości ma większą wartość od siły wyporu działającej na ciało. | Siła ciężkości ma taką samą wartość jak siła wyporu działająca na ciało. | Siła ciężkości równa jest sile wyporu. |
Gęstość ciała jest większa od gęstości cieczy lub gazu. | Gęstość ciała jest równa gęstości cieczy lub gazu. | Gęstość ciała jest mniejsza od gęstości cieczy lub gazu. |
Jak zmieni się siła wyporu działająca na klocek, który pływa w cieczy i jest zanurzony do swojej wysokości, gdy zanurzymy go całkowicie? Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Które ciała będą pływały, a które utoną? Weź pod uwagę następujące przypadki:
miedziana płytka w rtęci;
bryłka węgla w glicerynie;
kropla wody w nafcie;
kropla oleju w wodzie.
Odpowiedź zapisz w polu poniżej.
Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:
Ciśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczneCiśnienie. Ciśnienie hydrostatyczne i atmosferyczne
Prawo PascalaPrawo Pascala
Wyznaczanie gęstości materiiWyznaczanie gęstości materii
Siła jako miara oddziaływań. Równowaga sił. Siła wypadkowa. Wyznaczanie siły wypadkowejSiła jako miara oddziaływań. Równowaga sił. Siła wypadkowa. Wyznaczanie siły wypadkowej
Zadania
Do naczyń nalano różnych cieczy, a następnie zanurzono w nich dwie kule o jednakowej masie i objętości, tak jak na rysunku poniżej.
Wartość siły wyporu obliczamy wg wzoru , gdzie: Możliwe odpowiedzi: 1. – gęstość cieczy, – przyspieszenie ziemskie, – objętość wypartej cieczy., 2. – gęstość zanurzonego ciała, – przyspieszenie ziemskie, – objętość zanurzonego ciała., 3. – gęstość zanurzonego ciała, – przyspieszenie ziemskie, – objętość wypartej cieczy.
Które z poniższych zakończeń zdania jest poprawne? Wybierz prawidłową odpowiedź.
Wartość siły wyporu obliczamy wg wzoru , gdzie:
- – gęstość cieczy, – przyspieszenie ziemskie, – objętość wypartej cieczy.
- – gęstość zanurzonego ciała, – przyspieszenie ziemskie, – objętość zanurzonego ciała.
- – gęstość zanurzonego ciała, – przyspieszenie ziemskie, – objętość wypartej cieczy.
Uzupełnij puste miejsca.
Aby ciało wypłynęło na powierzchnię cieczy lub unosiło się do góry w gazie, siła ............ działająca na nie musi być większa niż ciężar ciała, co oznacza, że gęstość tego ciała musi być ................ od gęstości cieczy lub gazu, w którym jest ono zanurzone.
Słownik
pierwiastek zaliczany do rodziny gazów szlachetnych. Gęstość helu w temperaturze pokojowej wynosi ok. ; dla porównania gęstość suchego powietrza to ok. .
Biogram
Archimedes z Syrakuz
Grecki fizyk, matematyk, filozof i wynalazca. W obszarze fizyki zajmował się mechaniką (maszyny proste) i hydrostatyką (prawo Archimedesa). Jako matematyk znany jest ze swoich prac w zakresie geometrii (wyznaczanie powierzchni figur płaskich). Zginął z ręki legionisty po zdobyciu Syrakuz przez legiony rzymskie ( wojna punicka).