Узгон: Дефиниција, узроци, формула и примери

Без полетне силе рибе не би могле да пливају, чамци не би могли да плутају, а ваши снови да одлетете са прегршт хелијумских балона били би још немогући. Да бисте детаљно разумели ову силу, прво морате да разумете шта дефинише течност, а шта су притисак и густина.

У свакодневним разговорима вероватно користите речитечноститечностнаизменично. Међутим, у физици постоји разлика. Течност је одређено стање материје дефинисано константном запремином и способношћу промене облика да тече или стане на дно посуде.

Течност је врста течности, али течности се шире дефинишу као супстанца која нема фиксни облик и која може да тече. Као такав укључује и течности и гасове.

Густина је мера масе по јединици запремине. Претпоставимо да имате кубични контејнер, по 1 метар са сваке стране. Запремина овог контејнера била би 1 м × 1 м × 1 м = 1 м³. Сада претпоставимо да овај контејнер напуните одређеном супстанцом - на пример водом - и затим измерите колико је тежак у килограмима. (У овом случају би требало да буде око 1.000 кг). Густина воде је тада 1000 кг / 1 м

Густина је у основи мера за чврстоћу концентрисане материје у супстанци. Плин се компресијом може учинити густим. Течности се не компримују тако лако, али се на сличан начин могу створити мале разлике у густини у њима.

Какве сад везе густина има са узгоном? То ће постати очигледније како читате даље; међутим, за сада узмите у обзир разлику између густине ваздуха и густине воде и тога колико лако „лебдите“ (или не) у свакој од њих. Брзи мисаони експеримент и требало би да буде очигледно да ће гушће течности вршити веће полетне силе.

Притисак је дефинисан као сила по јединици површине. Као што је густина масе била мера чврстоће материје, притисак је мера концентрације силе. Размислите шта се дешава ако вас неко нагази на босу ногу патиком, насупрот томе ако на босу ногу стане петом модерне пумпе. У оба случаја врши се иста сила; међутим, ципела са високом потпетицом узрокује много више болова. То је зато што је сила концентрисана на много мањој површини, па је притисак много већи.

Овај исти принцип лежи у основи разлога због којег оштри ножеви сечу боље од досадних - када нож буде оштра, иста сила се може применити на много мању површину, узрокујући много већи притисак када користи.

Да ли сте икада видели слике некога како се одмара на ноктима? Разлог зашто то могу учинити без болова је тај што се сила распоређује на све нокте, за разлику од једног, што би проузроковало да вам наведени нокат пробуши кожу!

Какве везе ова идеја притиска има са течностима? Претпоставимо да имате шољу напуњену водом. Ако забијете рупу у бок шоље, вода ће почети да излази почетном хоризонталном брзином. Пашће у луку слично попут водоравно лансираног пројектила. То би се могло догодити само ако би водоравна сила потискивала ту течност устрану. Та сила је резултат унутрашњег притиска течности.

Све течности имају унутрашњи притисак, али одакле долази? Течности се састоје од мноштва малих атома или молекула који се сви крећу и непрестано се сударају. Ако се сударају, сигурно ће налетјети и на странице било ког контејнера у којем се налазе, па ова бочна сила гура воду у шољи из рупе.

Било који предмет потопљен у течност осетиће како сила ових молекула трчи около. Будући да укупна количина силе зависи од површине која је у контакту са течношћу, има смисла говорити о овој сили у смислу притиска уместо тога - као силе по јединици површине - тако да о њему можете говорити независно од било ког објекта на који може деловати на.

Имајте на уму да сила коју ће течност вршити на бокове контејнера или на потопљени предмет зависи од течности која лежи изнад ње. Можете да замислите да вода у шољи изнад рупе притиска воду испод ње због гравитације. Ово доприноси притиску у течности. Као резултат тога, што није изненађујуће, у флуиду притисак расте са дубином. То је зато што што дубље идете, више течности седи на вама и одмерава вас.

Замислите да лежите на дну базена. Узмите у обзир огромну тежину воде изнад себе. На копну би вас та количина масе у потпуности смрвила, али под водом не. Зашто је ово?

Па, то је и због притиска. Притисак воде која вас окружује доприноси „задржавању“ воде изнад вас. Али такође, имате и свој унутрашњи притисак. Како вам вода врши притисак, ваше тело врши притисак споља, спречавајући вас да имплодирате.

Плутајућа сила је нето сила нагоре на предмету у течности услед притиска течности. Плутајућа сила је разлог што неки предмети лебде и сви предмети спорије падају кад падну у течност. Такође је разлог зашто хелијумови балони лебде у ваздуху.

Будући да притисак у течности зависи од дубине, притисак на дну потопљеног објекта увек ће бити мало већи од притиска на врху потопљеног објекта. Ова разлика притиска резултира нето узлазном силом.

Али колико је велика ова сила нагоре и како се може мерити? Овде на сцену ступа Архимедов принцип.

Архимедов принцип (назван по грчком математичару Архимеду) каже да је за објекат у течности узлазна сила једнака тежини измештене течности.

Замислите потопљену коцку бочне дужинеЛ. Сваки притисак на странице коцке ће се поништити са супротном страном. Тада ће нето сила услед флуида бити разлика у притиску између врха и дна помножена саЛ​², површина једне коцке лица.

Притисак у дубиниддаје:

гдеρје густина течности игје убрзање услед гравитације. Нето сила је тада

Па,Л​³ је запремина предмета. Запремина коцке помножена са густином течности еквивалентна је маси течности коју је коцка померала. Множење сагчини га тегом (сила услед гравитације).

Предмет у течности, као што је потопљена стена или плутајући чамац, осетиће узлазну силу према горе, али такође и гравитациона сила надоле и можда нормална сила услед дна контејнера, па чак и друге силе као па.

Нето сила на објекат је векторски збир свих ових сила и одредиће кретање објеката (или његов недостатак). Ако објекат плута, он мора имати нето силу 0, па се сила на њега због гравитације тачно поништава узлазном силом.

Предмет који тоне имаће нето сила надоле услед гравитације која је јача од силе узлета на објекту. А објект који мирује на дну течности имаће гравитациону силу супротстављену комбинацијом узлазне и нормалне силе.

Последица Архимедовог принципа је да, ако је густина предмета мања од густине течности, предмет плута у тој течности. То је зато што би тежина течности коју може да истисне уколико би била потпуно уроњена била већа од сопствене тежине.

Заправо, за потпуно уроњени објекат, тежина расељене течности која је већа од силе гравитације резултирала би нето узлазном силом, која би предмет послала на површину.

Једном када се одмори на површини, предмет ће утонути само довољно дубоко у течност док не измени количину еквивалентну својој маси. Због тога су плутајући објекти углавном само делимично потопљени, а што су мање густи, мањи је део који на крају буде потопљен. (Размислите колико високо парче стиропора плута у води наспрам парчета дрвета.)

Ако је густина предмета већа од густине течности, предмет тоне у тој течности. Тежина воде коју истискује потпуно потопљени предмет мања је од тежине предмета, што резултира нето силом надоле.

Предмет, међутим, неће пасти тако брзо као што би пао ваздухом. Нето сила ће одредити убрзање.

Објекат исте густине као одређена течност сматра се неутрално узлазним. Када је тај објекат потпуно потопљен, сила узгона и сила гравитације једнаке су без обзира на којој дубини је објекат објешен. Као резултат, неутрално полетни предмет остаће тамо где је постављен у течности.

​Пример 1:Претпоставимо да је стена од 0,5 кг густине 3,2 г / цм³ је потопљен у води. Са којим убрзањем пада кроз воду?

​Решење:На стену делују две конкурентске снаге. Прва је сила гравитације која делује наниже с величином од

Друга је сила узлета која је једнака тежини измештене воде.

Да бисте утврдили тежину расељене воде, треба да пронађете запремину стене (ово ће бити једнако запремини расељене воде). Јер густина = маса / запремина, онда је запремина = маса / густина = 500 / 3,2 = 156,25 цм³. Помноживши ово са густином воде добија се маса расељене воде: 156,25 × 1 = 156,25 г, или 0,15625 кг. Дакле, сила узлета која делује у правцу према горе има величину одФ_б= 1,53 Н.

Нето сила је тада 4,9 - 1,53 = 3,37 Н у смеру надоле. Користећи други Њутнов закон, можете пронаћи убрзање:

​Пример 2:Хелијум у хелијумском балону има густину од 0,2 кг / м³. Ако је запремина надуваног хелијумског балона 0,03 м³ а сам латекс балона тежак је 3,5 г, с којим убрзањем плута према горе када се пусти са нивоа мора?

​Решење:Баш као и у примеру камена у води, постоје две конкурентске силе: гравитација и сила узлета. Да бисте одредили силу гравитације на балону, прво пронађите укупну масу. Маса балона је густина хелијума × запремина балона + 0,0035 кг = 0,2 × 0,03 + 0,0035 = 0,0095 кг. Отуда је сила гравитације Ф_г = 0,0095 × 9,8 = 0,0931 Н.

Плутајућа сила биће маса измештеног ваздуха помножена са убрзањем услед гравитације.

Дакле, нето сила на балону је Ф_нето = 0,36 - 0,0931 = 0,267 Н. Дакле, убрзање балона је нагоре