Krydstogtsskibe og hangarskibe er bygget af hundreder af tusinder af tons materiale, inklusive meget stål, og de flyder. Men kast et tungmetalanker fra dækket, og det vil synke ned til havbunden. Hvorfor?
Archimedes 'princip beskriver, hvordan objekter flyder eller synker ned i væsker. I Newtons fysik er den repræsenteret af den kraftige kraft.
Hvem var arkimedes fra Syracuse?
Archimedes var en klassisk græsk tænker og tinker, der levede fra omkring 287 f.Kr. til 212 f.Kr. i Syracuse, en gammel græsk bystat på øen Sicilien. Som ung mand rejste Archimedes for at studere i verdens største bibliotek på det tidspunkt, Alexandria-biblioteket i Egypten.
Kendt for sine mange matematiske formuleringer, herunder beregning af pi til den mest præcise værdi indtil elektroniske regnemaskiner kom sammen, han var også en af de første forskere, der anvendte sin matematik til fysik og omvendt. Archimedes 'opdagelse af et princip til beskrivelse af opdrift, eller hvordan ting flyder, er i centrum for en af de mest berømte historier i videnskabshistorien.
Kong Hiero II, en siciliansk tyran i tiden, fik efter sigende en ny krone, som han formodede ikke var lavet af rent guld. Af frygt for kronproducenten havde stjålet nogle af råvarerne fra ham og erstattet nogle af de materiale i kronen til sølv i stedet, Hiero gik til øens bosiddende geni Archimedes for Hjælp.
Som legenden siger, tænkte Archimedes på problemet i badekarret, da han bemærkede, at vandstanden steg med en forudsigelig mængde, da han kom ind og ud af vandet. På dette siges han at have råbt "Eureka!" ("Jeg har fundet det!"), Et ord, der nu er uudsletteligt fastgjort til opdagelser og indsigt.
Formodentlig havde badevidenskabsmanden sammensat to ideer: For det første, at for det der er to objekter med samme volumen, har det tættere objekt mere masse. For det andet, jo mere plads en nedsænket genstand optager, jo mere væske, der forskydes, når den falder ind (en voksen, der kommer ind i et badekar, skyder mere vand rundt end en baby).
Så argimedes argumenterede, hvis han kendte vægten af kronen, kunne han samle en lige vægt af rent guld, lægge begge genstande i vand og sammenligne, hvor meget vandet bevægede sig eller fortrængte. Hvis de var lige, var kronen legitim. Hvis guldet flyttede mere vand ved at synke dybere, skal kronen være mindre tæt end rent guld, hvilket betyder, at kroneskaberen faktisk narrede kongen.
Som det viste sig, var kronen ikke ren: En sejr for Archimedes, men sandsynligvis katastrofal for kronemakeren.
Flydende tæthed
Som Archimedes vidste i det andet århundrede f.Kr., er en væskes densitet et mål for dens masse pr. Enhed volumen. Matematisk er dette:
d = \ frac {m} {V}
Jo mere masse der presses i samme volumen, jo tættere er genstanden. Hvis en genstands tæthed er mere end væsken, den befinder sig i, vil den synke.
I mellemtiden udøver væsker, der er mere tætte, større flydende kræfter på genstande, der er placeret i dem.
Disse koncepter hjælper sammen med at forklare, hvorfor folk kan flyde næsten ubesværet på toppen af en meget salt sø eller hav, såsom Great Salt Lake eller Det Døde Hav, sammenlignet med i en mindre tæt krop af vand.
Væsketryk
Væsketryk hjælper med at beskrive den flydende kraft mere detaljeret.
Tryk generelt er a kraft pr. arealenhed. Alle væsker har internt tryk, som skubber mod genstande nedsænket i væsken. Denne kraft pr. Arealenhed, der udøves på objektet af vandet, forekommer fra alle sider, uanset hvor vand presser mod det.
Derudover afhænger væsketryk af væskens tæthed og dens dybde. Jo dybere ind i væsken en genstand er, jo mere væsketryk udøver vandet på den. Dette betyder for noget som en båd i vand, at bådens bund oplever mere væsketryk, der skubber den opad, end siderne af båden føler, at de skubber indad.
Archimedes 'princip
Som Archimedes 'badekaranekdote illustrerer, er en bekvem måde at måle væskekraften på en genstand eller den flydende kraft på at kvantificere det vand, der forskydes af det objekt, når det er nedsænket.
Dette er sandt, fordi den flydende kraft er lig med vægten af den væske, objektet forskyder. Med andre ord, for en kano, der flyder i en flod, er mængden af flodvand skubbet væk, når den starter, lig med mængden af vand der vil fylde den nedsænkede del af kanoen (uanset hvor meget af indersiden af båden i øjeblikket er under vandoverfladen).
Årsagen til dette sker er, at trykforskelle mellem toppen og bunden af en genstand forårsager en netto opadgående kraft lig med forskellen mellem genstandens vægt vægten af de fordrevne væske.
Overvej for eksempel en nedsænket terning i vandet. Kraftvektorerne fra væsketrykket rundt om terningen er rettet indad, men vektorerne lavere i væsken er større.
Derfor, selvom trykket øverst på den neddykkede genstand resulterer i en nedadgående kraft, og tryk i bunden resulterer i en opadgående kraft, da de opadrettede vektorer er større, vil der være være en netto opadgående kraft på terningen. Så længe denne kraft mindst er lig med den yderligere nedadgående kraft fra tyngdekraften eller terningens vægt, vil den flyde.
Når genstanden hviler i væsken, matcher vægten af objektet perfekt vægten af den fortrængte væske. Hvis genstanden dog vejer mere end den fortrængte væske, er nettokraften på den nedad, og den vil synke; hvis det vejer mindre end det fordrevne vand, vil det accelerere opad.
Fordi i begge tilfælde objektets volumen og volumenet af væske, det fortrænger, er indstillede mængder, den eneste forskel i deres vægte (tyngdekraften, der virker på dem) er fra deres respektive masser. Da densitet er masse pr. Volumenhed, følger det, at objektets tæthed er en anden måde at bestemme, om det vil synke eller flyde: Objekter, der er tættere end væsken vil synke og omvendt.
Anvendelser af Archimedes 'princip
Ved at sætte alle disse koncepter sammen kan en fysiker nu forklare, hvordan et utroligt tungt hangarskib, skibsfart eller krydstogtskib kan flyde, selvom det er lavet af materialer som stål, der har en densitet, der er større end densiteten af vand. Så længe volumenet af vand, der forskydes af båden, er lig med bådens vægt, vil den flydende kraft på båden modvirke tyngdekraftens nedadgående træk.
Sagt på en anden måde, så længe der er nok plads inde i skibet under vandstanden, kan et virkelig stort skrog i søfartsmæssig sammenhæng flyde. Hvis skibet imidlertid var et massivt stålrektangel eller et kæmpe anker i massivt stål, ville det være ikke flyde. En sådan form ville ikke fortrænge så meget vand som noget fremstillet af den tilsvarende masse, men konfigureret til at have et stort indeslutningsområde indeni, som et krydstogtskib med tusinder af sovehytter.
Mens denne artikel har fokuseret på væsker og især skibe, der flyder i vand, gælder Archimedes 'princip også for gasser. Helium og luftballoner er begge flydende genstande på samme måde som et skib. De fortrænger et volumen luftækvivalent i masse til ballonens masse og dens last. Eureka!
