Znasz wodne prawa fizyki? Jeśli nie, najwyższa pora to nadrobić;) Dziś na warsztat bierzemy jedno z najważniejszych – prawo Archimedesa.
Mamy nadzieję, że nie wylegujesz się w wannie zbyt długo i często (przypominamy, że to mało ekologiczne – zdecydowanie polecamy krótki ożywczy prysznic). Jeśli jednak już to robisz, zapewne zauważasz wtedy, że czujesz się lżej. Podobnie na basenie, który znany jest z tego, że działa odciążająco na stawy – dlatego to doskonała aktywność dla osób, u których ciężar własnego ciała może być przeszkodą np. w typowych ćwiczeniach aerobowych lub siłowych. A wszystko właśnie dzięki prawu Archimedesa, które mówi, że siła wyporu działająca na ciało zanurzone w płynie jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało. A im większe jest ciało (chodzi tu jednak o rozmiar, objętość – nie o wagę), tym większa jest siła wyporu.
HISTORIA
Archimedes był greckim filozofem i odkrył swoje prawo podczas kąpieli (widzicie – woda inspiruje!). Zgodnie z legendą, otrzymał on od władcy Syrakuz Hierona II specjalne zadanie. Miał sprawdzić, czy korona, którą wykonał pewien złotnik, faktycznie składa się z czystego złota. Nie mógł jej jednak w żaden sposób uszkodzić, co było dużym utrudnieniem, bo jedynym znanym sposobem sprawdzania złota było wówczas jego wyginanie (złoto to miękki metal).
Rozmyślając podczas kąpieli w wannie filozof zauważył, że poziom wody w miarę zanurzania podnosił się (ciało wyparło wodę), a ponadto poszczególne części jego ciała wydawały się w wodzie lżejsze. Wnioski dotyczące zależności między „zmniejszaniem się” ciężaru ciała a ciężarem wypartej cieczy doprowadziły go do rozwiązania. Zachwycony swoim odkryciem wybiegł z wanny krzycząc słynne Eureka! (Heureka, gr.ηὕρηκα – „znalazłem”). Jak rozwiązał zadanie z koroną? Poprosił króla o sztabkę czystego złota ważącą dokładnie tyle samo co korona. Następnie w identycznych pojemnikach z wodą zanurzył oba przedmioty. Jak się okazało – korona wyparła znacznie więcej wody niż sztabka, miała więc mniejszą gęstość niż złoto. Dowodziło to, że wykonano ją z użyciem pozłacanego srebra, które ma znacznie mniejszą gęstość niż złoto.
TEORIA
Siła wyporu ma ten sam kierunek, co siła ciężkości, ale przeciwny zwrot. Wartość siły wyporu zależy od objętości wypartej cieczy (odpowiadającej objętości zanurzonego obiektu) i gęstości cieczy, w jakiej znajduje się rozpatrywany obiekt, ale także od wartości przyspieszenia ziemskiego. Wzór przedstawia ją w taki sposób:
Fw=ϱ⋅g⋅V
• Fw – siła wyporu [N]
• ϱ – gęstość cieczy, w której zanurzony jest obiekt, dla wody przyjmuje się 1000[kg/m3]
• g – przyspieszenie ziemskie przyjmuje się 9,81[m/s2 ]
• V – objętość obiektu zanurzonego w cieczy równa objętości wypartej cieczy [m3]
W PRAKTYCE OZNACZA TO, ŻE:
• większa gęstość cieczy = większa siła wyporu i odwrotnie
• większa objętość obiektu = większa siła wyporu
• jeśli siła wyporu działająca na dany obiekt ma większą wartość niż siła ciężkości, to obiekt pływa
• jeśli siła wyporu danego ciała jest mniejsza niż jego ciężar to ciało zatonie
• jeśli siła wyporu zanurzonego ciała jest równa ciężarowi ciała – nie będzie ono ani wypływać ani tonąć (tak jak łódź podwodna)
PRAKTYKA
Nic dziwnego, że Archimedes zachwycił się swoim odkryciem wykrzykując znamienne „EUREKA!” Siła wyporu jest siłą niezwykle ważną i przydatną. W środowisku wodnym umożliwia działanie wielu mechanizmów. Korzystają z niej statki (tu siła wyporu = sile ciężkości), łodzie podwodne (manewrują siłą wyporu i ciężkości, w efekcie mogą zanurzać się i wynurzać), ryby (tu działa ten sam mechanizm, jak w przypadku łodzi podwodnych), a także lód unoszący się na powierzchni wody (ciekawostka – lód jest lżejszy niż woda!, bo ma mniejszą niż woda gęstość). Co ciekawe, siła wyporu występuje również w stanie gazowym, co ma znaczenie np. w przypadku balonów lub sterowców. Jeśli działająca na nie siła wyporu jest większa niż siła ciężkości – unoszą się w powietrzu. Zwiększenie siły wyporu poprzez np. podgrzanie gazu w balonie (zwiększa się objętość gazu) lub zmniejszenie siły ciężkości poprzez np. zrzucenie balastu sprawia, że wznosi się on do góry. I odwrotnie
–
w przypadku gdy chcemy, aby balon opadł – wtedy trzeba zmniejszyć siłę wyporu, a zwiększyć siłę ciężkości (np. obciążyć balon).
Jeśli ktoś zapyta Cię, na czym polega siła wyporu – nie wypieraj się wiedzy!:)
