აღმაშფოთებელი ძალის გარეშე, თევზებს არ შეეძლოთ ცურვა, კატარღები ვერ მოძრაობდნენ და თქვენი ოცნებები, რომ გაფრინდეთ ჰელიუმის ბუშტებით, კიდევ უფრო შეუძლებელი იქნებოდა. იმისათვის, რომ ეს ძალა დეტალურად გაიგოთ, ჯერ უნდა გესმოდეთ რა განსაზღვრავს სითხს და რა არის წნევა და სიმკვრივე.
სითხეები სითხეები
თქვენს ყოველდღიურ საუბრებში თქვენ იყენებთ სიტყვებსსითხედათხევადიურთიერთშეთანხმებით. ამასთან, ფიზიკაში არსებობს განსხვავება. თხევადი არის მატერიის განსაკუთრებული მდგომარეობა, რომელიც განისაზღვრება მუდმივი მოცულობითა და ფორმის შეცვლის შესაძლებლობით, რათა მოხდეს კონტეინერის ფსკერის ნაკადი ან მოთავსება
თხევადი სითხის სახეობაა, მაგრამ სითხეები უფრო ფართო მნიშვნელობით განიხილება, როგორც ნივთიერება, რომელსაც არ აქვს ფიქსირებული ფორმა და რომელსაც შეუძლია გაედინება. როგორც ასეთი, ის მოიცავს როგორც სითხეებს, ასევე გაზებს.
სითხის სიმკვრივე
სიმჭიდროვე არის მასის საზომი ერთეულის მოცულობაზე. დავუშვათ, რომ თქვენ გაქვთ კუბური კონტეინერი, თითოეულ მხარეს 1 მეტრი. ამ კონტეინერის მოცულობა იქნება 1 მ × 1 მ × 1 მ = 1 მ3. ახლა ჩათვალეთ, რომ თქვენ შეავსეთ ეს კონტეინერი კონკრეტული ნივთიერებით - მაგალითად, წყლით - და შემდეგ გაზომეთ რამდენია მას წონა კილოგრამებში. (ამ შემთხვევაში, ეს უნდა იყოს დაახლოებით 1000 კგ). წყლის სიმკვრივეა 1000 კგ / 1 მ
3 = 1000 კგ / მ3.სიმჭიდროვე არის არსებითად იმის საზომი, თუ რამდენად მჭიდროდ არის კონცენტრირებული ნივთიერება ნივთიერებაში. გაზის შეკუმშვით შეიძლება უფრო მკვრივი გახდეს. სითხეები ასე ადვილად არ იკუმშება, მაგრამ მათში მცირე სიმკვრივის სხვაობა შეიძლება წარმოიშვას ანალოგიურად.
ახლა რა კავშირი აქვს სიმკვრივეს აყვავებასთან? ეს უფრო ცხადი გახდება, როდესაც წაიკითხავთ; თუმცა, ახლა გაითვალისწინეთ განსხვავება ჰაერის სიმკვრივესა და წყლის სიმკვრივეს შორის და რამდენად მარტივად "ათამაშებთ" (ან არა) თითოეულში. სწრაფი აზროვნების ექსპერიმენტი და აშკარა უნდა იყოს, რომ უფრო მკვრივი სითხეები უფრო მეტ გამაძლიერებელ ძალებს მოახდენენ.
სითხის წნევა
წნევა განისაზღვრება, როგორც ძალა ერთეულ ფართობზე. ისევე, როგორც მასის სიმკვრივე იყო იმის საზომი, თუ რამდენად მჭიდროდ იყო შეფუთული ნივთიერება, წნევაც ნიშნავს რამდენად კონცენტრირებულია ძალა. გაითვალისწინეთ, რა მოხდება, თუკი ვინმე შიშველ ფეხს ფეხსაცმლის ფეხსაცმლით დააბიჯებს, წინააღმდეგ შემთხვევაში, თუ ის შიშველ ფეხს დაადგამს ელეგანტური ტუმბოს ქუსლით. ორივე შემთხვევაში, იგივე ძალა მოქმედებს; ამასთან, მაღალქუსლიანი ფეხსაცმელი გაცილებით მეტ ტკივილს იწვევს. ეს იმიტომ ხდება, რომ ძალა კონცენტრირებულია ბევრად უფრო მცირე ფართობზე, ამიტომ წნევა გაცილებით მეტია.
იგივე პრინციპი ემყარება იმ მიზეზს, რომ მკვეთრი დანები უკეთესად ჭრიან, ვიდრე მოსაწყენი - როცა დანაა მკვეთრი, იგივე ძალა შეიძლება გამოყენებულ იქნას გაცილებით მცირე ზედაპირზე, რაც იწვევს უფრო მეტ ზეწოლას, როდესაც გამოყენებული.
ოდესმე გინახავთ ვინმეს ფრჩხილების საწოლზე დასვენების სურათები? იმის გამო, რომ მათ ეს ტკივილის გარეშე შეუძლიათ, არის ის, რომ ძალა გადანაწილებულია ყველა ფრჩხილზე, განსხვავებით ერთი ფრჩხილისგან, რაც განაპირობებს ამ ფრჩხილის კანს თქვენს კანს!
ახლა, რა კავშირი აქვს წნევის ამ იდეას სითხეებთან? დავუშვათ, რომ წყლით სავსე ჭიქა გაქვთ. თუ ჭიქის მხარეს ხვრელი გაიღეთ, წყალი დაიწყებს საწყისი ჰორიზონტალური სიჩქარით გადინებას. ის დაეცემა რკალში ჰორიზონტალურად გაშვებული ჭურვის მსგავსი. ეს შეიძლება მხოლოდ იმ შემთხვევაში მოხდეს, თუ ჰორიზონტალური ძალა ამ სითხს გვერდით უბიძგებს. ეს ძალა სითხის შიდა წნევის შედეგია.
ყველა სითხეში აქვს შიდა წნევა, მაგრამ საიდან მოდის იგი? სითხეები შედგება უამრავი პატარა ატომისგან ან მოლეკულისგან, რომლებიც ყველა მოძრაობენ და მუდმივად ხვდებიან ერთმანეთს. თუ ისინი ერთმანეთს ეჯახებიან, ისინი, რა თქმა უნდა, ასევე ხვდებიან ნებისმიერი კონტეინერის გვერდებს, სადაც ისინი არიან, ამიტომ ეს გვერდით აიძულებს ჭიქაში წყალს გამოაღწიოს ხვრელიდან.
სითხეში ჩაძირული ნებისმიერი ობიექტი იგრძნობს ამ მოლეკულების ძალას გარშემო. მას შემდეგ, რაც ძალის საერთო რაოდენობა დამოკიდებულია ზედაპირზე, რომელიც სითხეში არის კონტაქტში, აზრი აქვს ამ ძალაზე საუბარს ნაცვლად ზეწოლის თვალსაზრისით - როგორც ძალა ერთეულის ფართობზე - ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ ილაპარაკოთ მასზე ნებისმიერი ობიექტისგან დამოუკიდებლად ჩართული
გაითვალისწინეთ, რომ ძალა, რომელსაც სითხე მოახდენს მისი კონტეინერის გვერდებზე ან ჩაძირულ ობიექტზე, დამოკიდებულია მის ზემოთ მდებარე სითხეში. თქვენ წარმოიდგინეთ, ხვრელის ზემოთ მდებარე ჭიქაში წყალი სიმძიმის გამო ზეწოლას უწევს მის ქვეშ არსებულ წყალს. ეს ხელს უწყობს სითხეში წნევას. ამის შედეგი არ არის გასაკვირი, რომ სითხის წნევა სიღრმეში იზრდება. ეს იმიტომ ხდება, რომ რაც უფრო ღრმად მიდიხარ, მით უფრო მეტი სითხე ზის თავზე და გიწონის.
წარმოიდგინეთ საცურაო აუზის ძირას დაწოლილი. გაითვალისწინეთ წყლის დიდი წონა თქვენს თავზე. ხმელეთზე, ამ რაოდენობის მასა მთლიანად გაანადგურებს თქვენ, მაგრამ წყლის ქვეშ ასე არ არის. Რატომ არის ეს?
ესეც ზეწოლის გამო. წყლის წნევა, რომელიც გარშემოა, ხელს უწყობს წყლის "დაჭერას" თქვენს თავზე. ასევე, თქვენ გაქვთ საკუთარი შინაგანი წნეხი. რადგან წყალი ზეწოლას ახდენს თქვენზე, თქვენი სხეული ახდენს გარე წნევას, რომ არ დააზარალოთ.
რა არის გამაძლიერებელი ძალა?
გამაძლიერებელი ძალა არის სითხის ზეწოლის გამო სითხის ობიექტზე არსებული ზევით წნევის ძალა. გამაფართოებელი ძალა არის მიზეზი, რომ ზოგიერთი ობიექტი ცურავს და ყველა ობიექტი უფრო ნელა ეცემა სითხეში ჩასვლისას. ისიც ამიტომ ჰელიუმის ბურთები ცურავს ჰაერში.
იმის გამო, რომ სითხეში წნევა სიღრმეზეა დამოკიდებული, ჩაძირული ობიექტის ფსკერზე ზეწოლა ყოველთვის ოდნავ მეტი იქნება, ვიდრე ჩაძირული ობიექტის ზემო ნაწილზე. ეს წნევის სხვაობა იწვევს წლიდან მომატებულ ძალას.
მაგრამ რამდენად დიდია ეს აღმავალი ძალა და როგორ შეიძლება მისი გაზომვა? აქ დგება არქიმედეს პრინციპი.
არქიმედეს პრინციპი
არქიმედეს პრინციპი (ბერძენი მათემატიკოსისთვის, არქიმედეს სახელწოდებით) ნათქვამია, რომ სითხის ობიექტისთვის გამაძლიერებელი ძალა უდრის გადაადგილებული სითხის წონას.
წარმოიდგინეთ ჩაფლული კუბი გვერდის სიგრძითლ. კუბის გვერდებზე ნებისმიერი ზეწოლა გაუქმდება მოპირდაპირე მხარესთან. შემდეგ სითხის გამო სუფთა ძალა იქნება ზეწოლის სხვაობა ზემოსა და ქვემოთა შორის გამრავლებულილ2, ერთი კუბის სახის ფართობი.
ზეწოლა სიღრმეზედმოცემულია:
P = \ rho gd
სადρარის სითხის სიმკვრივე დაგარის აჩქარება სიმძიმის გამო. წმინდა ძალა არის
F_ {net} = (\ rho g (d + L) - \ rho gd) L ^ 2 = \ rho gdL ^ 3
კარგად,ლ3 არის ობიექტის მოცულობა. კუბის მოცულობა გამრავლებული სითხის სიმკვრივეზე უდრის კუბის მიერ გადაადგილებული სითხის მასას. გამრავლებითგხდის მას წონას (ძალას სიმძიმის გამო).
სუფთა ძალა ობიექტებში თხევად მდგომარეობაში
სითხეში მოხვედრილი ობიექტი, მაგალითად ჩაძირული კლდე ან მცურავი ნავი, იგრძნობს აღმავალ ძალას, ქვევით გრავიტაციული ძალა და შესაძლოა ნორმალური ძალა კონტეინერის ფსკერის გამო და კიდევ სხვა ძალებიც კარგად
ობიექტზე წმინდა ძალა წარმოადგენს ამ ყველა ძალების ვექტორულ ჯამს და განსაზღვრავს მოძრაობის შედეგად მიღებულ ობიექტებს (ან მის ნაკლებობას). თუ ობიექტი მცურავია, მას უნდა ჰქონდეს 0 ძალის ძალა, შესაბამისად სიმძიმის გამო მასზე მოქმედება ზუსტად გაუქმებულია გამაძლიერებელი ძალით.
ობიექტს, რომელიც იძირება, ექნება წმინდა დაღმავალი ძალა იმის გამო, რომ მიზიდულობა უფრო ძლიერია, ვიდრე ობიექტის გამაძლიერებელი ძალა. ხოლო სითხის ფსკერზე დასვენებულ ობიექტს ექნება სიმძიმის ძალა, რომელსაც უპირისპირდება გამაძლიერებელი ძალისა და ნორმალური ძალის კომბინაცია.
მცურავი ობიექტები
არქიმედეს პრინციპის შედეგია ის, რომ თუ ობიექტის სიმკვრივე სითხის სიმკვრივეზე ნაკლებია, ობიექტი ამ სითხეში მიცურავს. ეს იმიტომ ხდება, რომ სითხის წონა, რომლის გადაადგილებაც მას შეუძლია, სრულად ჩაძირვის შემთხვევაში, უფრო მეტი იქნება, ვიდრე საკუთარი წონა.
სინამდვილეში, მთლიანად ჩაძირული ობიექტისთვის, გადაადგილებული სითხის წონა უფრო მეტია, ვიდრე სიმძიმის ძალა, გამოიწვევს წმინდა ზევით ძალას, ობიექტის ზედაპირზე გაგზავნას.
ზედაპირზე დასვენების შემდეგ, ობიექტი მხოლოდ საკმარისად ღრმად ჩაიძირა სითხეში, სანამ არ გადაადგილდება საკუთარი მასის ექვივალენტის ოდენობით. ამიტომაა, რომ მცურავი ობიექტები ზოგადად მხოლოდ ნაწილობრივ იძირება და რაც ნაკლებად მკვრივია, მით უფრო მცირეა ის წილი, რომელიც ბოლომდე ჩაძირულია. (გაითვალისწინეთ, თუ რამდენად მაღალია ფოლადის ქაფის ნატეხი წყალში ხის ნაჭრისგან).
ობიექტები, რომლებიც იძირებიან
თუ ობიექტის სიმკვრივე სითხის სიმკვრივეზე მეტია, ობიექტი ამ სითხეში იძირება. სრულად ჩაძირული ობიექტის მიერ გადაადგილებული წყლის წონა ნაკლებია, ვიდრე ობიექტის წონა, რის შედეგადაც ხდება დაღმავალი წმინდა ძალა.
ობიექტი ისე სწრაფად არ დაეცემა, როგორც ჰაერში. წმინდა ძალა განსაზღვრავს აჩქარებას.
ნეიტრალური ფლოტიანობა
კონკრეტული სითხის იგივე სიმკვრივის ობიექტი განიხილება ნეიტრალურად ბუზურად. როდესაც ეს ობიექტი მთლიანად ჩაძირულია, აყვავების ძალა და გრავიტაციული ძალა ტოლია, მიუხედავად იმისა, თუ რა სიღრმეზეა შეჩერებული ობიექტი. შედეგად, ნეიტრალურად მბზინავი ობიექტი დარჩება იქ, სადაც იგი თხევად მდგომარეობაშია.
ფრინველის მაგალითები
მაგალითი 1:დავუშვათ 0,5 კგ სიმკვრივის კლდე 3,2 გ / სმ3 წყალშია ჩაძირული. რა აჩქარებით ვარდება წყალში?
გამოსავალი:კლდეზე მოქმედებს ორი კონკურენტი ძალა. პირველი არის სიმძიმის ძალა, რომელიც მოქმედებს ქვემოთ და სიდიდით
F_g = მგ = 0,5 × 9,8 = 4,9 \ ტექსტი {N}
მეორე არის გამაძლიერებელი ძალა, რომელიც უდრის გადაადგილებული წყლის წონას.
იმისათვის, რომ განისაზღვროს გადაადგილებული წყლის წონა, თქვენ უნდა იპოვოთ კლდის მოცულობა (ეს უდრის გადაადგილებული წყლის მოცულობას). რადგან სიმჭიდროვე = მასა / მოცულობა, შემდეგ მოცულობა = მასა / სიმკვრივე = 500 / 3.2 = 156,25 სმ3. ამის გამრავლება წყლის სიმკვრივეზე იძლევა გადაადგილებული წყლის მასას: 156,25 × 1 = 156,25 გ, ან 0,15625 კგ. ასე რომ, აღმავალი მიმართულებით მოქმედი გამაძლიერებელი ძალა აქვს სიდიდესვბ= 1,53 ნ
წმინდა ძალა შემდეგში არის 4.9 - 1.53 = 3.37 N დაღმავალი მიმართულებით. ნიუტონის მეორე კანონის გამოყენებით შეგიძლიათ აჩქარება:
a = \ frac {F_ {net}} {m} = \ frac {3.37} {. 5} = 6.74 \ text {m / s} ^ 2.
მაგალითი 2:ჰელიუმის ბურთით ჰელიუმს აქვს 0,2 კგ / მ სიმკვრივე3. თუ გაბერილი ჰელიუმის ბუშტის მოცულობა 0,03 მ3 და თვით ბუშტის ლატექსი იწონის 3.5 გ-ს, რა აჩქარებით მოძრაობს იგი ზემოთ, ზღვის დონიდან გამოსვლისას?
გამოსავალი:ისევე, როგორც წყალში არსებული კლდე, არსებობს ორი კონკურენტი ძალა: სიმძიმე და გამაძლიერებელი ძალა. ბალონზე სიმძიმის ძალის დასადგენად ჯერ იპოვნეთ საერთო მასა. ბუშტის მასა არის ჰელიუმის სიმკვრივე ball ბუშტის მოცულობა + 0,0035 კგ = 0,2 × 0,03 + 0,0035 = 0,0095 კგ. აქედან გამომდინარე, სიმძიმის ძალაა Fგ = 0,0095 × 9,8 = 0,0931 ნ
გამაძლიერებელი ძალა იქნება გადაადგილებული ჰაერის მასა სიმძიმის გამო აჩქარებამდე.
F_b = 1,225 \ ჯერ 0,03 \ ჯერ 9,8 = 0,36 \ ტექსტი {N}
ასე რომ, ბუშტზე წმინდა ძალაა Fწმინდა = 0,36 - 0,0931 = 0,267 ნ ასე რომ, ბუშტის ზემოთ აჩქარებაა
a = \ frac {F_ {net}} {m} = \ frac {0.267} {0.0095} = 28.1 \ text {m / s} ^ 2.