Peldspēja ir spēks, kas laivām un pludmales bumbiņām ļauj peldēt uz ūdens. Termiņš peldošs spēks attiecas uz augšu vērstu spēku, ko šķidrums (vai nu šķidrums, vai gāze) iedarbojas uz priekšmetu, kas ir daļēji vai pilnībā iegremdēts šķidrumā. Peldošais spēks izskaidro arī to, kāpēc objektus zem ūdens varam pacelt vieglāk nekā uz sauszemes.
Key Takeaways: Peldošais spēks
- Termins “peldošais spēks” attiecas uz augšupvērstu spēku, ko šķidrums iedarbojas uz priekšmetu, kas daļēji vai pilnībā ir iegremdēts šķidrumā.
- Peldošais spēks rodas no atšķirībām hidrostatiskajā spiedienā - spiedienā, ko rada statisks šķidrums.
- Arhimēda princips nosaka, ka peldošais spēks, kas iedarbojas uz priekšmetu, kas daļēji vai pilnībā ir iegremdēts šķidrumā, ir vienāds ar šķidruma svaru, kuru objekts pārvieto.
Eureka moments: pirmais peldspējas novērojums
Pēc romiešu arhitekta Vitruviusa teiktā, grieķu matemātiķis un filozofs Arhimēdi Pirmo reizi tika atklāta peldspēja 3. gadsimtā B.C. neizpratnē par Sirakūzas karaļa Hiero II viņam izvirzīto problēmu. Ķēniņam Hiero bija aizdomas, ka viņa zelta vainags, kas veidots vainaga formā, faktiski nav izgatavots no tīra zelta, bet drīzāk no zelta un sudraba maisījuma.
Tiek apgalvots, ka, uzņemot vannu, Arhimēds pamanīja, ka, jo vairāk viņš nogrima vannā, jo vairāk ūdens no tā iztecēja. Viņš saprata, ka tā ir atbilde uz viņa nepatīkamo stāvokli, un steidzās mājās, raudot “Eureka!” (“Esmu to atradis!”) Pēc tam viņš izgatavoja divus priekšmetus - vienu zeltu un vienu sudrabu -, kas bija vienādi ar vainagu, un katru nometa traukā, kas piepildīts ar malu ar ūdens.
Arhimēds novēroja, ka sudraba masa no kuģa iztecēja vairāk ūdens nekā zelta. Tālāk viņš novēroja, ka viņa "zelta" vainags izraisīja no kuģa vairāk ūdens izplūšanu nekā tīrā zelta priekšmets, kuru viņš bija izveidojis, kaut arī abiem vainagiem bija vienāds svars. Tādējādi Arhimēds parādīja, ka viņa kronī patiešām ir sudrabs.
Lai arī šī pasaka ilustrē peldspējas principu, tā var būt leģenda. Archimedes pats nekad nav pierakstījis stāstu. Turklāt praksē, ja niecīgs sudraba daudzums tiktu apmainīts pret zeltu, izspiestā ūdens daudzums būtu par mazu, lai to varētu droši izmērīt.
Pirms peldspējas atklāšanas tika uzskatīts, ka objekta forma nosaka, vai tas peld vai nē.
Peldspēja un hidrostatiskais spiediens
Peldošais spēks rodas no atšķirībām hidrostatiskais spiediens - spiediens, ko rada a statiskā šķidruma. Bumba, kas tiek novietota augstāk šķidrumā, izjutīs mazāku spiedienu nekā tā pati bumba, kas novietota tālāk. Tas notiek tāpēc, ka ir vairāk šķidruma un līdz ar to arī lielāka svara, kas iedarbojas uz bumbiņu, kad tā atrodas dziļāk šķidrumā.
Tādējādi spiediens objekta augšdaļā ir vājāks nekā spiediens apakšā. Spiedienu var pārveidot par spēku, izmantojot formulu Spēks = Spiediens x Platība. Ir tīkls spēks vērsta uz augšu. Šis neto spēks - kas vērsts uz augšu neatkarīgi no objekta formas - ir peldspējas spēks.
Hidrostatisko spiedienu izsaka ar P = rgh, kur r ir blīvums šķidruma, g ir paātrinājums gravitācijas dēļ, un h ir dziļums šķidruma iekšpusē. Hidrostatiskais spiediens nav atkarīgs no šķidruma formas.
Arhimēdu princips
Arhimēda princips norāda, ka peldošais spēks, kas iedarbojas uz priekšmetu, kas daļēji vai pilnībā ir iegremdēts šķidrumā, ir vienāds ar šķidruma svaru, kuru priekšmets pārvieto.
To izsaka ar formulu F = rgV, kur r ir šķidruma blīvums, g ir paātrinājums smaguma dēļ, un V ir šķidruma tilpums, kuru objekts pārvieto. V ir vienāds tikai ar objekta tilpumu, ja tas ir pilnībā iegremdēts.
Peldošais spēks ir augšupvērsts spēks, kas pretojas gravitācijas spēkam lejup. Peldošā spēka lielums nosaka, vai priekšmets iegremdēsies šķidrumā, vai tas nogrims, peld vai paaugstinās.
- Objekts nogrims, ja gravitācijas spēks, kas uz to iedarbojas, ir lielāks par peldošo spēku.
- Objekts peldēs, ja gravitācijas spēks, kas uz to iedarbojas, ir vienāds ar peldošo spēku.
- Objekts pacelsies, ja gravitācijas spēks, kas uz to iedarbojas, ir mazāks par peldošo spēku.
No formulas var izdarīt arī vairākus citus novērojumus.
- Iegremdēti priekšmeti, kuriem ir vienāds tilpums, izspiedīs tādu pašu šķidruma daudzumu un izjutīs tāda paša līmeņa peldošo spēku, pat ja objekti ir izgatavoti no dažādiem materiāliem. Tomēr šie objekti atšķirsies pēc svara un peldēs, celsies vai nogrims.
- Gaiss, kura blīvums ir aptuveni 800 reizes mazāks nekā ūdens, izjutīs daudz mazāku virzošo spēku nekā ūdens.
1. piemērs: daļēji iegremdēts kubs
Kubs ar tilpumu 2,0 cm3 ir iegremdēts pusceļā ūdenī. Kādu spēku ietekmē kubs?
- Mēs zinām, ka F = rgV.
- r = ūdens blīvums = 1000 kg / m3
- g = gravitācijas paātrinājums = 9,8 m / s2
- V = puse no kuba tilpuma = 1,0 cm3 = 1.0*10-6 m3
- Tādējādi F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 10-6 m3 = .0098 (kg * m) / s2 = .0098 ņūtoni.
2. piemērs: pilnībā iegremdēts kubs
Kubs ar tilpumu 2,0 cm3 ir pilnībā iegremdēts ūdenī. Kādu spēku ietekmē kubs?
- Mēs zinām, ka F = rgV.
- r = ūdens blīvums = 1000 kg / m3
- g = gravitācijas paātrinājums = 9,8 m / s2
- V = kuba tilpums = 2,0 cm3 = 2.0*10-6 m3
- Tādējādi F = 1000 kg / m3 * (9,8 m / s2) * 2,0 * 10-6 m3 = .0196 (kg * m) / s2 = .0196 ņūtoni.
Avoti
- Biello, Deivids. “Fakts vai daiļliteratūra?: Arhimēds vannā izveidoja terminu“ Eureka! ”.” Zinātniskais amerikānis, 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
- “Blīvums, temperatūra un sāļums.” Havaju Universitāte, https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-temperature-and-salinity.
- Rorres, Kriss. “Zelta vainags: ievads.” Ņujorkas štata universitāte, https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.