Nguvu ya kuruka. Maelezo, fomula

2024 Mwandishi: Angel Austin | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 05:42

Kutazama kuruka kwa puto na msogeo wa meli kwenye uso wa bahari, watu wengi hujiuliza: ni nini hufanya magari haya kupanda angani au kuyaweka magari haya juu ya uso wa maji? Jibu la swali hili ni buoyancy. Hebu tuiangalie kwa makini katika makala.

Mimiminiko na shinikizo tuli ndani yake

Kioevu ni hali mbili za jumla za dutu: gesi na kioevu. Athari ya nguvu yoyote ya tangential kwao husababisha baadhi ya tabaka za maada kuhama kutoka kwa zingine, yaani, jambo huanza kutiririka.

Vimiminika na gesi hujumuisha chembe za msingi (molekuli, atomi), ambazo hazina nafasi mahususi katika nafasi, kama, kwa mfano, katika vitu vikali. Wao ni daima kusonga katika mwelekeo tofauti. Katika gesi, harakati hii ya machafuko ni kali zaidi kuliko katika vinywaji. Kutokana na ukweli uliobainika, vitu vya umajimaji vinaweza kupitisha shinikizo lililowekwa juu yao kwa usawa katika pande zote (sheria ya Pascal).

Kwa kuwa pande zote za kusogea angani ni sawa, jumla ya shinikizo kwenye msingi wowotekiasi ndani ya kiowevu ni sifuri.

Hali hubadilika kwa kiasi kikubwa ikiwa dutu inayohusika itawekwa katika uwanja wa mvuto, kwa mfano, katika uwanja wa mvuto wa Dunia. Katika kesi hii, kila safu ya kioevu au gesi ina uzito fulani ambayo inasisitiza kwenye tabaka za msingi. Shinikizo hili linaitwa shinikizo la tuli. Inaongezeka kwa uwiano wa moja kwa moja na kina h. Kwa hivyo, katika hali ya kioevu chenye msongamano ρ_l, shinikizo la hidrostatic P huamuliwa na fomula:

P=ρ_lgh.

Hapa g=9.81 m/s²- kasi ya kuanguka bila malipo karibu na uso wa sayari yetu.

Shinikizo la Hydrostatic limehisiwa na kila mtu ambaye amepiga mbizi mita kadhaa chini ya maji angalau mara moja.

Ifuatayo, zingatia suala la uchangamfu kwenye mfano wa vimiminika. Hata hivyo, hitimisho zote zitakazotolewa ni halali pia kwa gesi.

Shinikizo la Hydrostatic na sheria ya Archimedes

Hebu tuanzishe jaribio rahisi lifuatalo. Hebu tuchukue mwili wa sura ya kijiometri ya kawaida, kwa mfano, mchemraba. Hebu urefu wa upande wa mchemraba uwe a. Hebu tuzamishe mchemraba huu katika maji ili uso wake wa juu uwe kwa kina h. Je, maji yana shinikizo kiasi gani kwenye mchemraba?

Ili kujibu swali lililo hapo juu, ni muhimu kuzingatia kiasi cha shinikizo la hidrostatic ambalo hutenda kwenye kila uso wa takwimu. Kwa wazi, shinikizo la jumla linalofanya kwenye nyuso zote za upande litakuwa sawa na sifuri (shinikizo upande wa kushoto litalipwa na shinikizo la kulia). Shinikizo la hydrostatic kwenye uso wa juu litakuwa:

P₁=ρ_lgh.

Shinikizo hili linashuka. Nguvu yake inayolingana ni:

F₁=P₁S=ρ_lghS.

Ambapo S ni eneo la uso wa mraba.

Nguvu inayohusishwa na shinikizo la hydrostatic, ambayo hutenda kwenye uso wa chini wa mchemraba, itakuwa sawa na:

F₂=ρ_lg(h+a)S.

F₂nguvu inaelekezwa juu. Kisha nguvu inayosababisha pia itaelekezwa juu. Maana yake ni:

F=F₂- F₁=ρ_lg(h+a)S - ρ_lghS=ρ_lgaS.

Kumbuka kwamba bidhaa ya urefu wa ukingo na eneo la uso S la mchemraba ni ujazo wake V. Ukweli huu huturuhusu kuandika upya fomula kama ifuatavyo:

F=ρ_lgV.

Mchanganyiko huu wa nguvu ya kubuoyancy unasema kuwa thamani ya F haitegemei kina cha kuzamishwa kwa mwili. Kwa kuwa ujazo wa mwili V unalingana na ujazo wa kioevu V_l, ambacho kilihamisha, tunaweza kuandika:

F_A=ρ_lgV_l.

Mfumo wa nguvu ya kubuoyancy F_A kwa kawaida huitwa usemi wa kihisabati wa sheria ya Archimedes. Ilianzishwa kwanza na mwanafalsafa wa kale wa Kigiriki katika karne ya 3 KK. Ni kawaida kuunda sheria ya Archimedes kama ifuatavyo: ikiwa mwili umezamishwa katika dutu ya maji, basi nguvu ya juu ya wima hufanya juu yake, ambayo ni sawa na uzito wa kitu kinachohamishwa na mwili.vitu. Nguvu ya kusisimua pia inaitwa nguvu ya Archimedes au nguvu ya kuinua.

Miguso inayofanya kazi kwenye mwili mgumu iliyotumbukizwa kwenye dutu ya umajimaji

Ni muhimu kujua nguvu hizi ili kujibu swali kama mwili utaelea au kuzama. Kwa ujumla, kuna mawili tu kati yao:

mvuto au uzito wa mwili F_g;
nguvu ya kubuoyancy F_A.

Kama F_g>F_A, basi ni salama kusema kwamba mwili utazama. Kinyume chake, ikiwa F_g<F_A, basi mwili utashikamana na uso wa dutu hii. Ili kuizamisha, unahitaji kutumia nguvu ya nje F_A-F_g.

Ikibadilisha fomula za nguvu zilizotajwa kuwa ukosefu wa usawa ulioonyeshwa, mtu anaweza kupata hali ya hisabati ya kuelea kwa miili. Inaonekana hivi:

ρ_s<ρ_l.

Hapa ρ_s ni msongamano wa wastani wa mwili.

Ni rahisi kuonyesha athari ya hali iliyo hapo juu kwa vitendo. Inatosha kuchukua cubes mbili za chuma, moja ambayo ni imara na nyingine ni mashimo. Ukiyatupa majini, ya kwanza yatazama, na ya pili yataelea juu ya uso wa maji.

Kutumia uchangamfu katika mazoezi

Magari yote yanayotembea au chini ya maji yanatumia kanuni ya Archimedes. Kwa hivyo, uhamishaji wa meli huhesabiwa kulingana na ujuzi wa nguvu ya juu ya buoyancy. Nyambizi zikibadilikamsongamano wao wa wastani kwa msaada wa chemba maalum za ballast, zinaweza kuelea au kuzama.

Mfano wazi wa mabadiliko katika msongamano wa wastani wa mwili ni matumizi ya jaketi za kujiokoa na mtu. Zinaongeza kwa kiasi kikubwa kiasi cha jumla na wakati huo huo hazibadilishi uzito wa mtu.

Kuinuka kwa puto au puto za watoto zilizojaa heliamu angani ni mfano bora wa nguvu ya Archimedean inayovuma. Muonekano wake unatokana na tofauti kati ya msongamano wa hewa moto au gesi na hewa baridi.

Tatizo la kukokotoa nguvu ya Archimedean kwenye maji

Mpira wa shimo umezamishwa kabisa ndani ya maji. Radi ya mpira ni sentimita 10. Ni muhimu kuhesabu kasi ya maji.

Ili kutatua tatizo hili, huhitaji kujua mpira umetengenezwa kwa nyenzo gani. Ni muhimu tu kupata kiasi chake. Mwisho huhesabiwa kwa fomula:

V=4/3pir³.

Kisha usemi wa kubainisha nguvu ya maji ya Archimedean itaandikwa kama:

F_A=4/3pir³ρ_lg.

Kubadilisha kipenyo cha mpira na msongamano wa maji (kg 1000/m³), tunapata kwamba nguvu ya kubuoyancy ni 41.1 N.

Tatizo la kulinganisha vikosi vya Archimedean

Kuna miili miwili. Kiasi cha sauti ya kwanza ni 200 cm³, na ya pili ni 170 cm³. Mwili wa kwanza uliingizwa katika pombe safi ya ethyl, na ya pili katika maji. Ni muhimu kubainisha kama nguvu za kusisimua zinazotenda kwenye miili hii ni sawa.

Vikosi vinavyolingana vya Archimedean hutegemea ujazo wa mwili na msongamano wa kioevu. Kwa maji, msongamano ni 1000 kg/m³, kwa pombe ya ethyl ni 789 kg/m³. Kokotoa nguvu ya unyanyuaji katika kila giligili kwa kutumia data hizi: