Hydrostatyka · Siła wyporu
7.3 Siła wyporu
Skąd bierze się siła wyporu i prawo Archimedesa
### Skąd bierze się siła wyporu?
Rozważmy prostopadłościan o polu podstawy i wysokości , całkowicie zanurzony w cieczy o gęstości . Górna podstawa znajduje się na głębokości , a dolna na głębokości .
W obliczeniach możemy posługiwać się ciśnieniem hydrostatycznym . Wkład ciśnienia atmosferycznego jest taki sam dla obu podstaw i przy wyznaczaniu różnicy sił parcia się redukuje.
Na górną podstawę ciecz działa w dół siłą:
Na dolną podstawę ciecz działa w górę większą siłą:
Siły parcia na przeciwległe ściany boczne równoważą się. Wypadkowa pionowa siła pochodząca od cieczy wynosi więc:
Ponieważ , otrzymujemy:
### Prawo Archimedesa
Na ciało zanurzone w cieczy działa skierowana pionowo w górę siła wyporu równa ciężarowi wypartej cieczy:
gdzie oznacza objętość zanurzonej części ciała. Dla ciała całkowicie zanurzonego .
Skąd bierze się siła wyporu i prawo Archimedesa
### Najważniejsze wnioski
Ze wzoru
wynika, że wartość siły wyporu zależy od:
* gęstości cieczy ,
* przyspieszenia grawitacyjnego ,
* objętości zanurzonej części ciała .
Dla tego samego ciała całkowicie zanurzonego w jednorodnej, praktycznie nieściśliwej cieczy siła wyporu nie zależy od głębokości zanurzenia. Zwiększenie głębokości zwiększa ciśnienie zarówno przy górnej, jak i dolnej części ciała, ale różnica ciśnień pozostaje taka sama.
Jeżeli ciało jest zanurzone tylko częściowo, do wzoru należy wstawić wyłącznie objętość części znajdującej się pod powierzchnią cieczy.
Ważenie hydrostatyczne i wyznaczanie gęstości
### Ciężar w powietrzu i po zanurzeniu
Ciało zawieszamy na siłomierzu i wykonujemy dwa pomiary.
W powietrzu, pomijając niewielką siłę wyporu powietrza, siłomierz wskazuje:
Po całkowitym zanurzeniu ciała w cieczy o znanej gęstości wskazanie maleje do wartości . Dla ciała pozostającego w spoczynku:
Stąd:
Różnica wskazań siłomierza jest więc równa wartości siły wyporu. Ponieważ:
możemy wyznaczyć objętość badanego ciała:
Ważenie hydrostatyczne i wyznaczanie gęstości
### Wyznaczanie gęstości ciała
Masa badanego ciała wynika z pierwszego pomiaru:
Objętość otrzymujemy z różnicy wskazań:
Zatem gęstość ciała jest równa:
W tym wzorze przyspieszenie się skraca. Do wyznaczenia gęstości nie trzeba więc znać objętości próbki ani wykonywać pomiaru jej wymiarów.
### Wpływ niepewności wskazań siłomierza
Jeżeli oba odczyty mają niepewność , można oszacować największą i najmniejszą możliwą gęstość. Wygodnie zapisać:
Największą wartość otrzymamy dla większego i mniejszego :
Najmniejszą wartość otrzymamy dla mniejszego i większego :
Maksymalną niepewność można wtedy oszacować ze wzoru:
Wyciąganie i opuszczanie ciał w cieczy
### Ciało całkowicie zanurzone
Rozważmy ciało podnoszone pionowo ruchem jednostajnym. Pomijamy opór cieczy. Działają na nie:
* ciężar w dół,
* siła wyporu w górę,
* siła naciągu liny w górę.
Ponieważ ruch jest jednostajny, wypadkowa siła wynosi zero:
Stąd:
Dopóki ciało jest całkowicie zanurzone, , więc siła wyporu i naciąg liny są stałe.
### Wynurzanie przez powierzchnię cieczy
Dla prostopadłościanu o polu podstawy niech oznacza wysokość części pozostającej pod wodą. Wtedy:
Podczas wynurzania maleje, dlatego siła wyporu maleje liniowo, a naciąg liny rośnie liniowo od do .
Wyciąganie i opuszczanie ciał w cieczy
### Gdy siła jest stała
Pracę stałej siły obliczamy ze wzoru:
Podczas pionowego podnoszenia całkowicie zanurzonego ciała siła naciągu i przemieszczenie mają ten sam zwrot, więc:
### Gdy ciało wynurza się z cieczy
W czasie wynurzania siła wyporu maleje liniowo od do zera. Jej średnia wartość na tym odcinku wynosi:
Dlatego średnia siła naciągu jest równa:
Jeżeli wysokość ciała wynosi , praca podczas przejścia przez powierzchnię cieczy wynosi:
Ten sam wynik można odczytać jako pole pod liniowym wykresem siły w funkcji drogi. Nie jest do tego potrzebny rachunek całkowy.
### Uwaga na znak pracy przy opuszczaniu
Gdy ciało jest opuszczane pionowo w dół, a siła naciągu działa w górę, kąt między siłą a przemieszczeniem wynosi . Praca siły naciągu jest wtedy ujemna:
Jeżeli w zadaniu pytamy tylko o wartość pracy co do modułu, otrzymujemy .
Pływanie ciał i głębokość zanurzenia
### Porównanie ciężaru i siły wyporu
Dla ciała całkowicie zanurzonego, na które nie działają inne siły pionowe, porównujemy:
Jeżeli , ciężar jest większy od siły wyporu i ciało ma tendencję do opadania. Jeżeli , siły mogą się równoważyć przy pełnym zanurzeniu. Jeżeli , przy pełnym zanurzeniu siła wyporu jest większa od ciężaru i ciało unosi się ku powierzchni.
### Ciało pływające na powierzchni
Po ustaleniu równowagi:
czyli:
Po skróceniu :
Im mniejsza jest gęstość ciała w porównaniu z gęstością cieczy, tym mniejsza część jego objętości musi być zanurzona.
Pływanie ciał i głębokość zanurzenia
### Zależność między wysokością i gęstością
Dla prostopadłościanu lub walca o stałym polu przekroju :
Z warunku pływania otrzymujemy:
Jeżeli znamy część wynurzoną, najpierw wyznaczamy część zanurzoną:
### Przykład
Sześcienny klocek pływa w benzenie o gęstości i wystaje ponad ciecz na swojej wysokości. Zanurzona jest więc wysokości.
Zatem:
Pontony, tratwy i balast
### Zanurzenie tratwy lub pontonu
Jeżeli tratwa o masie własnej i polu dna przewozi ładunek o masie , to w stanie równowagi:
gdzie oznacza głębokość zanurzenia. Stąd:
Jeżeli wysokość konstrukcji wynosi , procentowe zanurzenie ma wartość:
### Balastowanie
Dodanie balastu zwiększa ciężar układu, dlatego do równowagi potrzebna jest większa objętość wypartej wody. Dla pustej, szczelnej beczki o masie , którą chcemy zanurzyć do objętości :
Stąd masa potrzebnego balastu wynosi:
Jeżeli beczka ma być zanurzona do połowy swojej objętości:
Jak rozwiązywać zadania z siły wyporu
### Na co szczególnie uważać?
1. **Do wzoru na siłę wyporu wstawiaj gęstość cieczy, nie ciała:**
2. **Przy częściowym zanurzeniu używaj tylko objętości zanurzonej.** Pełną objętość można wstawić dopiero wtedy, gdy całe ciało znajduje się w cieczy.
3. **Nie mieszaj ciśnienia hydrostatycznego z ciśnieniem całkowitym.** Jeżeli liczysz różnicę sił parcia na dwie powierzchnie zanurzone w tej samej cieczy, składnik od ciśnienia atmosferycznego się redukuje.
4. **Wskazanie siłomierza po zanurzeniu nie jest równe ciężarowi ciała:**
5. **Warunek stosuj tylko dla spoczynku lub ruchu jednostajnego.** Jeżeli ciało przyspiesza, trzeba użyć II zasady dynamiki:
6. **Podczas wynurzania siła wyporu nie jest stała.** Dla prostopadłościanu maleje liniowo wraz z zanurzoną wysokością. Przy obliczaniu pracy można wtedy użyć wartości średniej siły lub pola pod wykresem.
7. **Przy pracy zwracaj uwagę na kierunek przemieszczenia.** Siła naciągu wykonuje dodatnią pracę przy podnoszeniu i ujemną przy opuszczaniu, jeśli działa przeciwnie do ruchu.
8. **Sprawdzaj, czy otrzymany stopień zanurzenia jest fizycznie możliwy.** Dla swobodnie pływającego ciała musi zachodzić .
Jak rozwiązywać zadania z siły wyporu
### Uniwersalny tok rozumowania
**Krok 1:** Ustal stan układu. Czy ciało pływa, jest całkowicie zanurzone, wisi na lince, jest podnoszone czy opuszczane?
**Krok 2:** Zaznacz wszystkie siły działające w pionie: ciężar , siłę wyporu oraz ewentualnie naciąg liny lub reakcję podłoża.
**Krok 3:** Dobierz równanie ruchu:
* spoczynek lub ruch jednostajny: ,
* ruch przyspieszony: .
**Krok 4:** Zapisz zależności fizyczne przed podstawieniem liczb:
**Krok 5:** Dopiero teraz wykorzystaj geometrię bryły, warunek pływania lub wskazania siłomierza i wyznacz szukaną wielkość.
**Krok 6:** Sprawdź jednostki i sens wyniku. Przydatne przeliczenia:
* ,
* ,
* .