Prezentacja z Fizyki

Siła wyporu. Prawo Archimedesa

Zuzia Tatara 7B

Siła wyporu

Siła wyporu pojawia się po zanurzeniu ciała do płynu (cieczy lub gazu). Powoduje ona, że ciało zaczyna być wypychane ku górze. Siła tego wypychania pochodzi od płynu i jest związana ze zjawiskiem ciśnienia hydro- lub aerostatycznego.

Skąd się bierze siła wyporu?

Powodem powstawania siły wyporu jest fakt, że ciśnienie w płynie zmienia się wraz z głębokością – im głębiej tym większe ciśnienie.

Ponieważ jednak zanurzone ciało ma pewne rozmiary, a w szczególności pewną wysokość, to inne ciśnienie działa u góry ciała, a inne przy jego dolnej powierzchni

Większe ciśnienie na dole niż na górze powoduje, że od dołu do góry działa także większa siła parcia. W efekcie zsumowania wektorowego większej siły do góry z mniejszą do dołu powstaje sumaryczna siła skierowana do góry. Nazywa się ona właśnie siłą wyporu.

Wartość siły wyporu

Archimedes jako pierwszy doszedł do wniosku, że siła wyporu jest równa ciężarowi wypartego płynu. Ciało wypiera tyle płynu ile wynosi objętość jego zanurzonej części. Gdy ciało jest zanurzone w całości, wtedy siła wyporu jest równa ciężarowi płynu o objętości tego ciała. Z siłą wyporu wiąże się możliwość pływania ciał.

Większość obiektów swobodnie pływających w wodzie ma ciężar właściwy zbliżony do ciężaru wody. Dzięki temu mogą one łatwo manewrować swoją pływalnością - wynurzać się lub zanurzać głębiej.

Przykłady działania sił wyporu

W cieczy:

• statki pływające po powierzchni – siła wyporu równoważy siłę ciężkości
• łodzie podwodne – statki te mają możliwość manewrowania siłą wyporu i siłą ciężkości, dzięki czemu są w stanie zanurzać się i wynurzać.
• ryby stosują zasady takie jak łodzie podwodne
• bąbelki pary unoszące się do góry podczas wrzenia są znacznie lżejsze od wody, więc wypływają na powierzchnię
• lód jest lżejszy od wody, więc unosi się na jej powierzchni
• kamienie leżące na dnie morza oczywiście też podlegają działaniu siły wyporu. Jednak ich ciężar jest duży, więc ostatecznie przeważa i powoduje, że kamienie te nie wypływają.

W gazie:

• balony, sterowce – manewrując ciężarem (balast) lub wartością siły wyporu (wypuszczanie gazu nośnego, lub zmiana jego ciężaru właściwego za pomocą podgrzewania)
• bańki mydlane zawierające ogrzane powietrze z płuc początkowo unoszą się do góry (chyba, że otaczająca je powłoka z mydła jest zbyt ciężka).
• ogrzana para wodna jest lekka, więc wznosi się do góry tworząc chmury. Po oziębieniu skrapla się i nabiera ciężaru (w sensie ciężaru właściwego), co powoduje, że ostatecznie spada w postaci deszczu.

Siłę wyporu możemy zapisać wzorem:

Fw = d * g * V

Gdzie: Fw - siła wyporu d - gęstość cieczy g - przyspieszenie ziemskie V - objętość zanurzonego ciała

Prawo Archimedesa

Prawo Archimedesa formułuje się słownie w następujący sposób:

Siła wyporu działająca na ciało zanurzone w płynie jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało

Mówiąc inaczej, gdybyśmy dokładnie takie samo ciało "wyrzeźbili" z wody (ale nie z lodu, bo lód jest lżejszy niż woda!), to ciężar tej "rzeźby" dałby nam wartość siły wyporu w wodzie. Oczywiście nie musimy dokładnie rzeźbić ciała - wystarczy, że po prostu weźmiemy tylko tę ilość "materiału" na naszą rzeźbę - czyli wodę mającą tyle samo objętości co ciało.

Jakie wnioski wyciągamy z tego prawa:

• że siła wyporu jest tym większa, im cięższy jest płyn - większa siła wyporu jest w wodzie, niż w powietrzu i większa w rtęci, niż w wodzie.
• siła wyporu jest tym większa, im większe (rozmiarami, objętością) jest ciało (a przynajmniej jego zanurzona część)

Pływanie ciał

Pływanie ciał po powierzchni cieczy

Ciało będzie pływało po powierzchni cieczy, jeśli jego siła wyporu przy maksymalnym zanurzeniu będzie większa niż ciężar tego ciała.

Gdy ciało pływa po powierzchni wody siła ciężkości jest równoważona przez siłę wyporu (siły ciężkości i wyporu mają równe wartości, ale przeciwne zwroty). Oczywiście jeśli ciało nie jest całkowicie zanurzone, to siła wyporu ma jeszcze pewien „zapas”, dzięki któremu nawet zwiększenie ciężaru ciała nie spowoduje od razu jego zatonięcia, bo automatycznie może wzrosnąć siła wyporu. Do momentu aż zanurzy się całe.

Pływanie ciał całkowicie zanurzonych

Nieco inaczej wygląda sytuacja ciał całkowicie zanurzonych – łodzie podwodne, zatopione obiekty, balony, tonące przedmioty itd.

Tutaj mamy dwie główne możliwości

1. siła wyporu jest mniejsza od siły ciężkości – ciało tonie.
2. siła wyporu jest większa od siły ciężkości – ciało wypływa unosząc się do góry.

Pływalność a gęstość

W przypadku ciał wykonanych z jednolitego materiału można łatwo przewidzieć czy będą one tonęły, czy wypływały na powierzchnię płynu. Zależy to od gęstości ciał i gęstości płynów w których miałyby one pływać:

• jeżeli gęstość ciała jest mniejsza niż gęstość płynu (ρciała < ρpłynu), wtedy ciało będzie wypływać na powierzchnię.
• jeżeli gęstość ciała jest większa niż gęstość płynu (ρciała > ρpłynu), wtedy ciało będzie tonąć.

O balonach

Balonu unoszą się w powietrzu ponieważ siła wyporu na nie działająca może być większa niż siła ciężkości.

Jeśli chcemy aby balon się wznosił, musimy zwiększyć siłę wyporu (np. podgrzewając gaz w balonie), albo zmniejszyć siłę ciężkości (np. wyrzucając balast). Niestety, nie można balonem wznieść się dowolnie wysoko, ponieważ w górnych partiach atmosfery powietrze jest tak rzadkie (a więc i lekkie), że wyprodukowanie gazu od niego lżejszego staje się prawie niemożliwe (przynajmniej w tych warunkach w jakich ma funkcjonować ten gaz w powłoce balonu).Jeśli chcemy aby balon się wznosił, musimy zwiększyć siłę wyporu (np. podgrzewając gaz w balonie), albo zmniejszyć siłę ciężkości (np. wyrzucając balast). Niestety, nie można balonem wznieść się dowolnie wysoko, ponieważ w górnych partiach atmosfery powietrze jest tak rzadkie (a więc i lekkie), że wyprodukowanie gazu od niego lżejszego staje się prawie niemożliwe (przynajmniej w tych warunkach w jakich ma funkcjonować ten gaz w powłoce balonu).

Opuszczenie balonu wymagać będzie z kolei oziębienia gazu w balonie, lub wypuszczenia części tego gazu.

Jeśli balon ma utrzymywać się na stałej wysokości należy utrzymywać wartość siły wyporu na tym samym poziomie co siła ciężkości.Jeśli balon ma utrzymywać się na stałej wysokości należy utrzymywać wartość siły wyporu na tym samym poziomie co siła ciężkości.

Używa się dwa podstawowe typy balonów:

• zawierające gaz na stałe lżejszy od powietrza, czyli wodór lub hel
• zawierające powietrze, które jest ogrzewane za pomocą palnika. Dzięki temu ogrzewaniu powietrze rozszerza się i staje się lżejsze. Jeśli sumaryczny ciężar powłoki balonu, gazu w tej powłoce oraz ładunku będzie mniejszy od uzyskanej tak siły wyporu, wtedy balon wzniesie się w powietrze.

Używa się dwa podstawowe typy balonów:

• zawierające gaz na stałe lżejszy od powietrza, czyli wodór lub hel
• zawierające powietrze, które jest ogrzewane za pomocą palnika. Dzięki temu ogrzewaniu powietrze rozszerza się i staje się lżejsze. Jeśli sumaryczny ciężar powłoki balonu, gazu w tej powłoce oraz ładunku będzie mniejszy od uzyskanej tak siły wyporu, wtedy balon wzniesie się w powietrze.

Pierwsza metoda tworzenia balonów latających ma tę zaletę, że nie wymaga energii do tego, aby balon pozostawał w górze. Drugi sposób z kolei daje większą kontrolę nad wznoszeniem się i opuszczaniem.

Najlżejszym gazem używanym w balonach jest wodór. Ma on jednak jedną ogromna wadę - bardzo łatwo go zapalić (wodór jest wręcz wybuchowy). Dlatego znacznie bezpieczniejszym gazem używanym do wypełniania powłoki balonu jest hel. Jest on całkowicie niepalny, jednak jest cięższy i dlatego trzeba znacznie użyć większego balonu helowego niż wodorowego, aby unieść ten sam ładunek.

Doświadczenia

Doświadczenie z Jajkiem

Do szklanki nalewamy zwykłej wody . Wkładamy do szklanki surowe jajo kurze. Jajko tonie i spoczywa na dnie słoika, ponieważ średnia gęstkość jajka jest większa niż gęstość słodkiej wody.

Do kolejnej szklanki nalewamy słonej wody. Wkładamy to samo jajko. Jajko pływa na powierzchni , ponieważ gęstość słonej wody jest większa od gęstości jajka

Do szklanki ze słoną wodą dolewamy słodkiej wody , przez co gęstość roztworu soli maleje. Gdy gęstość roztworu będzie równa gęstości jajak to będzie ono pływać w środku cieczy.

Doświadczenie z Statek z plasteliny

Z plasteliny ulepiłam statek i położyłam go na wodzie.

Jeśli wrzucimy plastelinę do słodkiej wody ona zatonie.

Taki statek pływa na powierzchnie ponieważ po uformowaniu zwiększył swoją objętość więc woda może działać do góry dużo większą siłą wyporu.

Sładziemy statek do słonej wody. Zanużenie statku jest teraz mniejsze ponieważ woda słona ma większą gęstość niż woda słodka.

Zuzia Tatara 7B nr 14