Vztlak: definícia, príčiny, vzorec a príklady

Bez vztlakovej sily by ryby nemohli plávať, lode nemohli plávať a vaše sny o odlete s hrsťou héliových balónov by boli ešte nemožnejšie. Ak chcete tejto sile podrobne porozumieť, musíte najskôr pochopiť, čo definuje tekutinu a čo sú tlak a hustota.

Pri každodenných rozhovoroch pravdepodobne používate slovátekutinaatekutýzameniteľné. Vo fyzike však existuje rozdiel. Kvapalina je konkrétny stav hmoty, ktorý je definovaný konštantným objemom a schopnosťou meniť formu tak, aby vytekala alebo zapadla na dno nádoby.

Kvapalina je druh kvapaliny, ale kvapaliny sú definované širšie ako látka, ktorá nemá pevný tvar a ktorá môže tiecť. Zahŕňa ako kvapaliny, tak aj plyny.

Hustota je mierou hmotnosti na jednotku objemu. Predpokladajme, že máte kubický kontajner, z každej strany 1 meter. Objem tohto kontajnera by bol 1 m × 1 m × 1 m = 1 m³. Teraz predpokladajme, že naplníte túto nádobu konkrétnou látkou - napríklad vodou - a potom odmerajte, koľko váži v kilogramoch. (V takom prípade by to malo byť asi 1 000 kg). Hustota vody je potom 1 000 kg / 1 m

Hustota je v podstate mierou toho, ako pevne je látka v látke koncentrovaná. Stlačením plyn môže byť hustejší. Kvapaliny sa nestláčajú tak ľahko, ale podobným spôsobom môžu byť v nich generované malé rozdiely hustoty.

Čo má potom hustota spoločné so vztlakom? To sa stane zrejmejším, keď budete čítať ďalej; zatiaľ však zvážte rozdiel medzi hustotou vzduchu a hustotou vody a tým, ako ľahko v nich „plávate“ (alebo nie). Rýchly myšlienkový experiment a malo by byť zrejmé, že hustejšie tekutiny vyvinú väčšie vztlakové sily.

Tlak je definovaný ako sila na jednotku plochy. Rovnako ako hmotnostná hustota bola mierou toho, ako pevne bola látka zabalená, tlak je mierou toho, ako koncentrovaná je sila. Zvážte, čo sa stane, ak vám niekto šliape na bosú nohu teniskou, oproti tomu, ak vám šliape na bosú nohu pätou štýlovej pumpy. V obidvoch prípadoch sa vyvinie rovnaká sila; topánka na vysokom podpätku však spôsobuje oveľa väčšie bolesti. Je to preto, že sila je sústredená na oveľa menšiu plochu, takže tlak je oveľa väčší.

Rovnaký princíp je základom dôvodu, prečo sú ostré nože rezané lepšie ako tupé - keď je nôž ostré, rovnaká sila môže byť aplikovaná na oveľa menší povrch, čo spôsobí oveľa väčší tlak, keď použité.

Už ste niekedy videli obrázky, ako niekto odpočíva na klinci? Môžu to bez bolesti urobiť preto, lebo sila je rozložená na všetky nechty, na rozdiel od jedného, ​​čo by spôsobilo prepichnutie uvedeného nechtu!

Čo má teraz táto myšlienka tlaku spoločné s tekutinami? Predpokladajme, že máte pohár naplnený vodou. Ak vypichnete otvor na bočnej strane pohára, voda začne vytekať s počiatočnou horizontálnou rýchlosťou. Padá oblúkom podobne ako horizontálne vypustený projektil. To by sa mohlo stať, iba ak by vodorovná sila tlačila túto kvapalinu do strán. Táto sila je výsledkom vnútorného tlaku kvapaliny.

Všetky tekutiny majú vnútorný tlak, ale odkiaľ pochádza? Tekutiny sú tvorené množstvom malých atómov alebo molekúl, ktoré sa všetky pohybujú a neustále do seba narážajú. Ak narážajú do seba, určite narážajú aj do strán akejkoľvek nádoby, v ktorej sú, a preto táto sila do strán tlačí vodu v pohári von z otvoru.

Akýkoľvek predmet ponorený do kvapaliny pocíti silu týchto molekúl, ktorá naráža okolo. Pretože celková veľkosť sily závisí od povrchu, ktorý je v kontakte s tekutinou, je rozumné hovoriť o tejto sile pokiaľ ide o tlak, namiesto toho - ako silu na jednotku plochy -, aby ste o ňom mohli hovoriť nezávisle od akéhokoľvek predmetu, na ktorý by mohol pôsobiť na.

Pamätajte, že sila, ktorú bude kvapalina vyvíjať na boky nádoby alebo na ponorený predmet, závisí od tekutiny, ktorá leží nad ňou. Môžete si predstaviť, že voda v pohári nad otvorom tlačí na vodu pod ním kvôli gravitácii. To prispieva k tlaku v tekutine. V dôsledku toho nie je prekvapením, že tlak kvapaliny rastie s hĺbkou. Je to preto, že čím hlbšie pôjdete, tým viac tekutiny bude sedieť na vás a bude vás zaťažovať.

Predstavte si, že ležíte na dne bazéna. Zvážte čistú váhu vody nad vami. Na súši by vás toto množstvo hmoty úplne rozdrvilo, ale pod vodou to tak nie je. Prečo je toto?

No je to aj kvôli tlaku. Tlak vody, ktorá je všade okolo vás, prispieva k „zadržiavaniu“ vody nad vami. Ale tiež máte svoj vlastný vnútorný tlak. Pretože voda na vás vyvíja tlak, vaše telo vyvíja vonkajší tlak, ktorý vám zabráni v výbuchu.

Vztlaková sila je čistá sila smerom nahor na predmet v tekutine spôsobená tlakom tekutiny. Vztlaková sila je dôvod, prečo niektoré predmety plávajú a všetky predmety padajú pomalšie, keď spadnú do kvapaliny. Aj preto vo vzduchu plávajú héliové balóny.

Pretože tlak v kvapaline závisí od hĺbky, bude tlak na dno ponoreného predmetu vždy o niečo väčší ako tlak na vrchole ponoreného predmetu. Výsledkom tohto tlakového rozdielu je čistá sila smerom nahor.

Aká veľká je však táto sila smerom hore a ako sa dá zmerať? Tu vstupuje do hry Archimedov princíp.

Archimedov princíp (pomenovaný pre gréckeho matematika Archimedesa) hovorí, že pre objekt v tekutine sa vztlaková sila rovná hmotnosti vytlačenej kvapaliny.

Predstavte si ponorenú kocku s dĺžkou stranyĽ. Akýkoľvek tlak na bočné strany kocky sa zruší opačnou stranou. Čistá sila spôsobená kvapalinou bude potom rozdielom tlaku v hornej a dolnej časti vynásobenáĽ​², plocha jednej tváre kocky.

Tlak v hĺbkedje daný:

kdeρje hustota kvapaliny agje gravitačné zrýchlenie. Čistá sila je potom

No,Ľ​³ je objem objektu. Objem kocky vynásobený hustotou tekutiny je ekvivalentný hmotnosti tekutiny vytlačenej kockou. Vynásobenímgto z neho robí váhu (gravitačná sila).

Predmet v kvapaline, ako napríklad ponorená skala alebo plávajúci čln, pocíti vznášajúcu sa silu nahor, ale aj gravitačná sila smerom dole a možno normálna sila pôsobiaca na dno nádoby, a dokonca aj ďalšie sily ako dobre.

Čistá sila na objekt je vektorovým súčtom všetkých týchto síl a bude určovať výsledný pohyb objektov (alebo ich nedostatok). Ak je objekt plávajúci, musí mať čistú silu 0, a preto je sila na neho pôsobením gravitácie presne zrušená vztlakovou silou.

Objekt, ktorý sa potápa, bude mať čistú silu smerom nadol v dôsledku gravitácie, ktorá je silnejšia ako vztlaková sila na objekt. A objekt v pokoji na dne kvapaliny bude mať gravitačnú silu potlačenú kombináciou vztlakovej sily a normálnej sily.

Dôsledok Archimedovho princípu je, že ak je hustota objektu menšia ako hustota kvapaliny, objekt v nej pláva. Je to preto, lebo hmotnosť kvapaliny, ktorú je schopná vytlačiť, ak by bola úplne ponorená, by bola vyššia ako jej vlastná hmotnosť.

V skutočnosti by pre úplne ponorený objekt bola hmotnosť vytlačenej kvapaliny väčšia ako gravitačná sila výsledkom čistej sily smerom nahor, ktorá by objekt poslala na povrch.

Keď bude objekt v pokoji, ponorí sa na povrch iba dostatočne hlboko do tekutiny, kým nevytlačí množstvo ekvivalentné vlastnej hmotnosti. To je dôvod, prečo sú plávajúce objekty všeobecne ponorené iba čiastočne a čím sú menej husté, tým menší je zlomok, ktorý je nakoniec ponorený. (Zvážte, ako vysoko kúsok polystyrénu pláva vo vode oproti kúsku dreva.)

Ak je hustota predmetu vyššia ako hustota kvapaliny, predmet sa do tejto kvapaliny ponorí. Hmotnosť vody vytlačenej úplne ponoreným predmetom je menšia ako hmotnosť predmetu, čo vedie k čistej sile smerom dole.

Objekt však neklesne tak rýchlo, ako by to bolo vzdušnou cestou. Čistá sila určí zrýchlenie.

Objekt s rovnakou hustotou ako konkrétna tekutina sa považuje za neutrálne nadnášajúci. Keď je tento objekt úplne ponorený, vztlaková sila a gravitačná sila sú rovnaké bez ohľadu na to, v akej hĺbke je predmet zavesený. Výsledkom je, že neutrálne sa vznášajúci predmet zostane tam, kde je nastavený v kvapaline.

​Príklad 1:Predpokladajme 0,5 kg horniny s hustotou 3,2 g / cm³ je ponorený vo vode. S akým zrýchlením padá cez vodu?

​Riešenie:Na skale pôsobia dve konkurenčné sily. Prvou je gravitačná sila pôsobiaca smerom nadol s veľkosťou

Druhou je vztlaková sila, ktorá sa rovná hmotnosti vytlačenej vody.

Na určenie hmotnosti vytlačenej vody musíte zistiť objem horniny (bude sa rovnať objemu vytlačenej vody). Pretože hustota = hmotnosť / objem, potom objem = hmotnosť / hustota = 500 / 3,2 = 156,25 cm³. Vynásobením tejto hustoty vody získate hmotnosť vytlačenej vody: 156,25 × 1 = 156,25 g alebo 0,15625 kg. Takže vztlaková sila pôsobiaca smerom hore má veľkosťF_b= 1,53 N.

Čistá sila je potom 4,9 - 1,53 = 3,37 N v smere nadol. Pomocou druhého Newtonovho zákona nájdete zrýchlenie:

​Príklad 2:Hélium v ​​héliovom balóne má hustotu 0,2 kg / m³. Ak je objem nafúknutého héliového balóna 0,03 m³ a latex balónu sám o sebe váži 3,5 g, s akým zrýchlením pláva nahor, keď sa uvoľní z hladiny mora?

​Riešenie:Rovnako ako v príklade skaly vo vode existujú dve konkurenčné sily: gravitácia a vztlak. Ak chcete určiť gravitačnú silu na balóne, najskôr vyhľadajte celkovú hmotnosť. Hmotnosť balóna je hustota hélia × objem balóna + 0,0035 kg = 0,2 × 0,03 + 0,0035 = 0,0095 kg. Preto je gravitačná sila F_g = 0,0095 × 9,8 = 0,0931 N.

Vztlaková sila bude hmotnosť vytlačeného vzduchu krát gravitačné zrýchlenie.

Čistá sila na balóne je teda F_sieť = 0,36 - 0,0931 = 0,267 N. Takže zrýchlenie balóna smerom nahor je