Διασκεδαστικά πειράματα Αρχιμήδη

Το "Oasis of the Seas" είναι το μεγαλύτερο κρουαζιερόπλοιο στον κόσμο με μάζα 100.000 τόνων, αλλά επιπλέει. Οι σχεδιαστές πλοίων χρησιμοποιούν την αρχή του Αρχιμήδη, η οποία ορίζει ότι για να επιπλέει ένα σκάφος πρέπει να εκτοπίζει ίσο όγκο νερού περισσότερο από το βάρος του. Αυτή η περίπλοκη ιδέα γίνεται πιο προσιτή στους μαθητές μέσω της χρήσης ενδιαφέρων επιδείξεων και πειραμάτων όπως αυτά που περιγράφονται παρακάτω.

Στην αρχαία Ελλάδα, ο Βασιλιάς Ιερό Β 'ανέθεσε ένα στέμμα να φτιαχτεί από έναν τοπικό χρυσό. Αμφισβήτησε ότι ήταν καθαρός χρυσός, οπότε έδωσε στο φιλόσοφο-επιστήμονα Αρχιμήδη το έργο να το ανακαλύψει. Ο Αρχιμήδης μπήκε σε ένα ζεστό λουτρό και είδε νερό να χύνεται στο πλάι καθώς βυθίστηκε στην μπανιέρα και συνειδητοποίησε ότι το νερό που μετατοπίστηκε ήταν ίσο με τον όγκο του σώματός του.

"Εύρηκα!" αναφώνησε όταν αποφάσισε ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει αυτήν την τεχνική μετατόπισης για να υπολογίσει τον όγκο και την πυκνότητα της κορώνας. Η δοκιμή του απέδειξε ότι η πυκνότητα της κορώνας ήταν μικρότερη από το χρυσό, άρα το στέμμα δεν ήταν καθαρό χρυσό.

Όταν ρωτήθηκε γιατί ένας κύλινδρος αλουμινίου βυθίζεται, ένας μαθητής μπορεί να απαντήσει εσφαλμένα, "Επειδή ζυγίζει περισσότερο."

Δώστε στους μαθητές δύο κομμάτια αλουμινόχαρτου 5 ιντσών έως 5 ιντσών. Βρείτε τη μάζα και των δύο. Ζητήστε από τους μαθητές να τραβήξουν ένα τετράγωνο φύλλο σε μια σφιχτή μπάλα, ρίξτε το στο νερό και παρακολουθήστε το να βυθίζεται. Πειραματιστείτε με το δεύτερο τετράγωνο έως ότου βρείτε έναν τρόπο να φτιάξετε το αλουμίνιο.

Όταν το αλουμίνιο έχει σχήμα σκάφους, θα επιπλέει γιατί ο όγκος έχει αυξηθεί πολύ, ενώ η μάζα παρέμεινε η ίδια. Το κύτος του σκάφους γεμίζει με αέρα, αυξάνοντας τον όγκο χωρίς να προσθέσει σημαντικό βάρος. Το σκάφος θα επιπλέει εάν η μάζα του σκάφους είναι μικρότερη από το νερό που εκτοπίζει. Με ένα κοίλο κύτος, το σκάφος θα αντικαταστήσει περισσότερο νερό από την μπάλα.

•••Comstock / Stockbyte / Getty Images

Η δύναμη της βαρύτητας εξαρτάται από τη μάζα του αντικειμένου για να το τραβήξει κάτω από ένα υγρό. Καθώς το αντικείμενο αρχίζει να βυθίζεται, η πλευστή δύναμη δρα για να ωθήσει το αντικείμενο προς τα πάνω. Εάν η βαρυτική δύναμη είναι μεγαλύτερη από την πλευστή δύναμη, το αντικείμενο θα βυθιστεί. Τα μπαλόνια ηλίου επιπλέουν στον αέρα επειδή η μάζα του αέρα που εκτοπίζει είναι μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλίου και του μπαλονιού.

Δέστε μια κορδέλα σε ένα μπαλόνι ηλίου και θα επιπλέει επειδή η πλευστή δύναμη είναι μεγαλύτερη από τη βαρυτική δύναμη. Αυξήστε τη δύναμη της βαρύτητας αυξάνοντας το βάρος. Δέστε τα κουλουράκια στην κορδέλα, αυξάνοντας το βάρος έως ότου το μπαλόνι βυθιστεί. Τώρα τσιμπήστε τα μικρά κομμάτια του κουλουριού έως ότου το μπαλόνι αρχίσει αργά να ανεβαίνει. Εάν μπορείτε να κάνετε το μπαλόνι να «αιωρηθεί», η βαρυτική δύναμη είναι ίση με την πλευστή δύναμη.

Χρησιμοποιώντας την αρχή του Αρχιμήδη, οι μαθητές μπορούν να καθορίσουν εάν ένα αντικείμενο θα βυθιστεί ή θα επιπλέει σε διαφορετικά υγρά.

Ετοιμάστε ένα διαυγές ποτήρι με ζεστό νερό. Προσθέστε ένα σταφύλι και θα βυθιστεί. Προσθέστε αλάτι στο ποτήρι και το σταφύλι αρχίζει να επιπλέει. Θυμηθείτε την αρχή του Αρχιμήδη: Εάν ένα αντικείμενο ζυγίζει περισσότερο από τον όγκο του σε υγρό, θα βυθιστεί. Η προσθήκη αλατιού στο νερό θα αυξήσει τη μάζα ανά μονάδα όγκου έως ότου είναι ίση ή πιο πυκνή από το σταφύλι. Αυτή τη στιγμή το σταφύλι θα επιπλέει.

Μπορείτε επίσης να προσκαλέσετε τους μαθητές να βρουν έξυπνες ιδέες σχετικά με παράξενα σχήματα αντικειμένων που μπορεί να επιπλέουν ή όχι και να περιγράψετε πώς θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν.