Закон архимеда для металлов

Сила Архимеда. Почему не тонут корабли?

Каждый видел, как огромный, тяжеленный, металлический корабль плывет себе спокойно и даже не думает уходить под воду, а маленький гвоздик из того же метала, моментально тонет. Почему же такая несправедливость?

Все дело в выталкивающей Архимедовой силе . Она действует на тела, которые погружены в жидкость или газ. Такая сила будет направленна обратно от силы притяжения, действующей на тело.

А замечали, какими силачами вы становитесь в воде? Вы совершенно спокойно можете поднять взрослого человека. Все дело в том, что по закону Архимеда , тело, погруженное в жидкость, вытесняет ее в некотором количестве. И вес этой вытесненной жидкости будет равен потере веса тела.

Не каждый студент может себе позволить за семестр в ВУЗе отдать 100 000 ₽ . Но круто, что есть гранты на учебу. Грант-на-вуз.рф это возможность учиться на желанной специальности. По ссылке каждый получит бонус от 300 ₽ до 100 000 ₽ грант-на-вуз.рф

По легенде, Архимед додумался до этого, когда ему поручили разоблачить мастера, который делал золотую корону царю Гиерону. У царя появились сомнения насчет честности мастера, и того, что корона из чистого золота. Чтобы это выяснить, нужно было вычислить объем короны, чтобы можно было сравнить его с объемом золота той же массы, что и корона. Если они совпадут, то никакого обмана нет. Именно этими вычислениями и занимался Архимед. Но тогда с нахождением объема тел неправильной формы были проблемы. И Архимед начал ломать голову над тем, как же это сделать. Ответ пришел ему, когда он принимал в ванну. Он заметил, что при погружении тела в ванну с водой, часть воды вытесняется. Он смог применить этот метод к вычислению объема короны и тем самым разоблачил лжеца.

Формула

Выведем формулу для вычисления силы Архимеда через, известную всем, формулу силы притяжения:

В этой формула m – масса тела, на которое действует сила притяжения, а g – ускорение свободного падения (9,8 м/с^2).

Если мы погрузим это тело в жидкость или газ, то на него начнет действовать вытесняющая сила Архимеда. Запишем ее в виде формулы:

Здесь указывается масса жидкости, которая вытесняется при погружении тела. Ее можно разложить на следующие составляющие:

Где ρ – плотность вытесненной жидкости, V – объем тела, вытесняющего эту жидкость.

Таким образом, формула для Архимедовой силы превращается в:

Почему же все-таки не тонут корабли?

Для начала разберемся, что влияет на положение тела в воде. На все тела на планете действует сила Земного притяжения. При погрузке в воду, на тело начинает действовать Архимедова сила, которая направлена в обратную сторону и может вытолкнуть тело из воды. Тут есть 3 варианта развития событий:

  1. Сила Архимеда больше силы притяжения. При таком раскладе тело будет выталкиваться из воды.
  2. Сила Архимеда равна силе притяжения. Тогда тело будет находиться в равновесии, в каком бы месте жидкости оно не оказалось
  3. Сила Архимеда меньше силы притяжения. Тогда тело пойдет ко дну.

Из формул силы притяжения и Архимедово силы, мы знаем, что соотношение этих сил будет зависеть от объема тела и плотности воды и тела. Так если плотность корабля будет меньше плотности воды, то Архимедова сила будет больше веса тела, и корабль не потонет. Корабли хоть и делают из металла, но внутри у них много воздуха, что делает плотность корабля меньше плотности воды. Та часть, которая находится под водой, занимает достаточно большой объем, чтобы Архимедова сила была больше силы притяжения. Поэтому корабль спокойно плавает по поверхности воды.

В случае с подводными лодками, существуют специальные камеры, для регулирования ее плотности. Чтобы совершить погружение, эти камеры заливаются водой, плотность становится больше, и соответственно лодка погружается под воду. Чтобы вернуться на поверхность, камеры заполняются сжатым воздухом.

Напоминаем про сервис грант-на-вуз.рф . Не упусти свой шанс изучать то, что тебе нравится. Ну или просто сэкономить на учебе. Ты точно получишь от 300 ₽ до 100 000 ₽, перейдя по ссылке грант-на-вуз.рф !

Спасибо, что прочитали статью. Не забывайте про подписку на канал, а также рекомендую почитать канал наших друзей:

Источник

Определение металла в изделии (монете) с помощью закона Архимеда по его плотности.

Определение металла в изделии (монете) с помощью закона Архимеда
по его плотности.
Как известно многим рынок заполонили подделки,изготавливаемые из дешёвого металла.
Я попробую вам объяснить как определить металл изделия почти со 100% точностью с помощью закона Архимеда по его плотности.
НАМ ПОНАДОБИТСЯ:
1. Весы (довольно точные,у моих весов погрешность +- 0.01 грамм ).
2. Ёмкость с водой (у меня пластиковый стакан ёмкостью 200 мл).
3. Нитки (обычные нитки для привязывания изделия-монеты).
4. Калькулятор.
5. Испытуемые изделия (украшения,кольца,цепочки,у меня монеты).
6. Перчатки (не обязательно).

Читайте также:  Что означает металл 3а 5а 12а

Я для исследования взял четыре монеты:
1. Один рубль 1921.
2. Один рубль 1896.
3. Один рубль 1764.
4. Три рубля 2010.
Оригиналы этих монет должны быть выполнены из серебра
(чистое серебро 999 пробы имеет плотность 10.5 грамм на сантиметр кубический,по этому всегда учитывайте пробу металла!
Для более низкой пробы (750,875,900,925) показания будут ниже).

1. Берём изделие (монету) взвешиваем её на весах,записываем значение.
2. Берём ёмкость с водой ставим на весы и обнуляем значение
(у меня это кнопка «TARE»).
3. Теперь монету привязываем ниткой и опускаем в стакан с водой который стоит у нас на весах с обнулённым значением.
4. Когда монета полностью опустилась в воду в подвешенном состоянии,на весах изменится значение с 0.00 на какое-то число,
это число так же записываем.
5. Теперь делим первое полученное число (чистый вес монеты)
на второе число (после взвешивание монеты в подвешенном состоянии в воде) это и будет плотность металла.

Источник

Архимедова сила

О чем эта статья:

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Сила: что это за величина

Прежде чем говорить о силе Архимеда, нужно понять, что это вообще такое — сила.

В повседневной жизни мы часто видим, как физические тела деформируются (меняют форму или размер), ускоряются и тормозят, падают. В общем, чего только с ними не происходит! Причина любых действий или взаимодействий тел — ее величество сила.

Сила — это физическая векторная величина, которая воздействует на данное тело со стороны других тел. Сила измеряется в ньютонах — единице измерения, которую назвали в честь Исаака Ньютона.

Поскольку сила — величина векторная, у нее, помимо модуля, есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В этом случае результат выражается в направлении движения.

Открытие закона Архимеда

Так вышло, что закон Архимеда известен не столько своей формулировкой, сколько историей возникновения.

Легенда гласит, что царь Герон II попросил Архимеда определить, из чистого ли золота сделана его корона, при этом не причиняя вреда самой короне. То есть расплавить корону или растворить — нельзя.

Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно ведь определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита.

Рассчитать плотность металла, чтобы установить, золотая ли корона, можно по формуле плотности.

Формула плотности тела

ρ = m/V

ρ — плотность тела [кг/м 3 ]

m — масса тела [кг]

V — объем тела [м 3 ]

Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. Тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему.

Решение задачи было найдено и, согласно самой расхожей версии легенды, ученый закричал «Эврика!» и побежал докладывать о своей победе в царский дворец (и так торопился, что даже не оделся). 🤦🏻‍♂️

Формула и определение силы Архимеда для жидкости

На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют силы давления. Эти силы увеличиваются с глубиной погружения, и на нижнюю часть тела будет действовать со стороны жидкости большая сила, чем на верхнюю.

Равнодействующая всех сил давления, действующих на поверхность тела со стороны жидкости, называется выталкивающей силой или силой Архимеда. Истинная причина появления выталкивающей силы — наличие различного гидростатического давления в разных точках жидкости.

Определение архимедовой силы для жидкостей звучит так:

Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна по модулю весу вытесненной жидкости и противоположно ему направлена.

Формула архимедовой силы для жидкости

ρж — плотность жидкости[кг/м 3 ]

Vпогр — объем погруженной части тела [м 3 ]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g = 9,8 м/с 2 .

А теперь давайте порешаем задачки, чтобы закрепить, как вычислить архимедову силу.

Задача 1

В сосуд погружены три железных шарика равных объемов. Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? Плотность жидкости вследствие ничтожно малой сжимаемости на любой глубине считать примерно одинаковой.

Решение

Да, так как объемы одинаковы, а архимедова сила зависит от объема погруженной части тела, а не от глубины.

Задача 2

На графике показана зависимость модуля силы Архимеда FАрх, действующей на медленно погружаемый в жидкость кубик, от глубины погружения x. Длина ребра кубика равна 10 см, его нижнее основание все время параллельно поверхности жидкости. Определите плотность жидкости. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с 2 .

Решение

Сила Архимеда, действующая на кубик, равна FАрх = ρжgVпогр.

Vпогр. — объем погруженной части кубика,

ρж — плотность жидкости.

Учитывая, что нижнее основание кубика все время параллельно поверхности жидкости, можем записать:

где а — длина стороны кубика.

Читайте также:  Бетховен к элизе металл кавер

ρ = FАрх / ga 2 x

Рассматривая любую точку данного графика, получим:

ρ = FАрхga 2 x = 20,25 / 10 × 7,5 × 10 -2 = 2700 кг/м 3

Ответ: плотность жидкости равна 2700 кг/м 3 .

Условия плавания тел

Из закона Архимеда вытекают следствия об условиях плавания тел.

Погружение

Плавание внутри жидкости

Плавание на поверхности жидкости

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Почему корабли не тонут?

Корабль сделан из металла, плотность которого больше плотности воды. И, по идее, он должен тонуть. Но дело в том, что корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Если корабль получит пробоину, то пространство внутри заполнится водой — следовательно, общая плотность корабля увеличится. Судно утонет.

В подводных лодках есть специальные резервуары, которые заполняют водой или сжатым воздухом. Если нужно уйти на глубину — водой, если подняться — сжатым воздухом. Рыбы используют такой же принцип в плавательном пузыре — наполняют его воздухом, чтобы подняться наверх.

Человеку, чтобы не утонуть, тоже достаточно набрать в легкие воздух и не двигаться — вода будет выталкивать тело на поверхность. Именно поэтому важно не тратить силы и кислород в легких на панику и борьбу, а расслабиться и позволить физическим законам сделать все за нас.

Формула и определение силы Архимеда для газов

На самом деле тут все очень похоже на жидкости. Начнем с формулировки закона Архимеда:

Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в газ, равна по модулю весу вытесненного газа и противоположно ему направлена.

Формула архимедовой силы для газов

ρг — плотность газа [кг/м 3 ]

Vпогр — объем погруженной части тела [м 3 ]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g = 9,8 м/с 2 .

Сила Архимеда для газов действует аналогично архимедовой силе для жидкостей. Давайте убедимся в этом, решив задачку.

Задача

Груз какой максимальной массы может удерживать воздушный шар с гелием объема 0,3 м 3 , находясь в атмосфере Земли? Плотность воздуха равна 1,3 кг/м 3 . Гелий считать невесомым.

Решение

Подставляем значения и получаем:

По второму закону Ньютона для инерциальных систем отсчета:

Выражаем массу груза и подставляем значения:

m = FАрх / g = 0,39 / 10 = 0, 039 кг = 39 кг

Ответ: груз максимальной массы 39 г может удержать данный шарик с гелием.

Когда сила Архимеда не работает

Архимедова сила не работает лишь в трех случаях:

Невесомость. Главное условие возникновения Архимедовой силы — это наличие веса у среды. Если мы находимся в невесомости, холодный воздух не опускается, а горячий, наоборот, не поднимается.

Тело плотно прилегает к поверхности. Отсутствие газа или жидкости между поверхностью и телом свидетельствует об отсутствии выталкивающей силы — телу просто неоткуда выталкиваться.

Растворы и смеси. Если взять спирт, плотность которого меньше плотности воды, и смешать его с водой, получится раствор. На него не будет действовать сила Архимеда, несмотря на то, что плотность спирта меньше плотности воды — он просто растворится.

Источник

Закон Архимеда, или Как распознать ложь?

Придворный ювелир изготовил для царя Гиерона золотую корону. Но царь, который не привык никому доверять, попросил Архимеда определить, золотая ли корона на самом деле, или золотых дел мастер подворовывает и подмешал к золоту львиную долю серебра.

Из статьи вы узнаете, сумел ли Архимед вывести лжеца на чистую воду? И что же открыл изобретатель благодаря своим опытам?

История открытия

В древних Сиракузах жил инженер, математик и физик по имени Архимед. Образование он получил отличное, изобретения его ценились и в средствах он не нуждался. И периодически к нему обращались сильные мира для решения всяких сложных задач. И одной из таких задач было определить подлинность короны царя Гиерона.

Казалось бы, что в этом сложного?

Раздели mт массу слитка, что был выдан ювелиру на объем короны Vт, получишь плотность короны ρт. Сравни полученный результат с известной плотностью золота, и дело в шляпе. А ювелир получит либо плату за работу, либо близкое знакомство с придворным палачом.

Однако эта формула хорошо работает с объектами простой формы: шар, куб, параллелепипед. А мы то помним, что исследуем корону, у которой множество зубцов, выпуклостей и ажурных плетений.

Как можно определить объем предмета столь сложной формы? Не знаете? Вот и Архимед тоже не знал.

Долгое время ученый думал над задачей, и в один из дней, в задумчивости опускаясь в наполненную водой ванну, обратил внимание, что часть воды выплеснулась через край. Современники рассказывают, что именно в этот момент Архимед закричал: «Эврика!», что по-гречески значит «Нашел!» и, даже не одеваясь, побежал в царский дворец.

Еще пару дней понадобилось исследователю, чтобы изобрести прибор, с помощью которого он мог бы измерить объем воды, вылившейся при погружении короны. Этот прибор, названный впоследствии ведерком Архимеда, можно увидеть на странице 145 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Затем, с помощью опытов с золотыми и серебряными слитками, доказать, что объем жидкости равен объему слитка, а следовательно будет равен и объему короны. И последним этапом определить плотность короны.

Говорят, что царь был прав в своих подозрениях, и ювелир был нечист на руку. А всю плату, что причиталась за корону мастеру, получил Архимед.

Читайте также:  Метчик для каленого металла

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

Что же открыл Архимед благодаря своим опытам?

Ученый определил некую силу, которая действую в обратном направлении силе притяжения и позволяет предметам плавать в воде и воздухе. Эту силу по праву назвали силой Архимеда или выталкивающей силой.

Определение закона Архимеда: тело погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

Формулы

На планете Земля на все предметы действует сила земного притяжения. Для объектов на земной поверхности силу притяжения можно рассчитать по формуле:

где mт — масса тела, а g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с 2 .

Когда же объект погружается в жидкость или газ, на него начинает действовать выталкивающая сила или сила Архимеда, которая рассчитывается по формуле:

где mж — масса жидкости, вытесненной целым объектом или его частью, находящейся в жидкости.

Массу вытесненной жидкости в свою очередь можно определить используя формулу:

и соответственно преобразовать формулу закона Архимеда:

Как же соотносятся между собой сила тяжести и сила выталкивания. Все просто:

  • если сила притяжения больше силы выталкивания, предмет утонет;
  • если силы примерно равны — предмет будет плавать в толще жидкости или газа;
  • а если сила выталкивания больше силы притяжения, предмет всплывет.

Многочисленные опыты, благодаря которым мы можем пользоваться формулами силы выталкивания, подробно разобраны в § 50 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Несмотря на то, что Архимед впервые открыл силу выталкивания в воде, сила Архимеда характерна также и для газов, и именно благодаря ей смог подняться в воздух первый воздушный шар, а вдохновленный и восхищенный этим событием писатель Жюль Верн написал свой роман «Вокруг света за 80 дней».

А теперь давайте поможем царю решить его задачу с короной.

Предположим, что корона царя Гиерона в воздухе весит 22 Н, а в воде 19,75 Н, вычислите плотность вещества короны.

Как мы узнали в начале статьи, плотность вещества находится по формуле:

Глядя на формулу, понимаем, что для решения задачи нам не известны ни масса короны, ни ее объем.

Из предыдущего курса физики (§ 27 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.), помним, что для неподвижного тела вес P равен силе тяжести Fт и рассчитывается по формуле:

где g — ускорение свободного падения и его значение равно g = 9,8 Н/кг. Однако, если не требуется большая точность в расчетах, значение можно округлить до 10 Н/кг

Зная вес короны в воздухе, мы используя формулу (2) можем найти массу короны.

Мы также знаем, что вес тела в воде отличается от веса тела в воздухе на силу Архимеда.

где ρж = ρводы = 1000 кг/м 3

Из нее находим объем вытесненной жидкости и соответственно объем короны

Остается финальный штрих: рассчитать плотность.

ρт = 2,2 кг / 0,000225 м 3 = 9778 кг/м 3 или 9,8 г/см 3

Зная, что плотность золота 19,3 г/см 3 или 19 300 кг/м 3 , можем сказать, что корона царя Гиерона сделана из какого-то сплава, но не из чистого золота. Увы, царь был прав, подозревая мастера в нечестности. И мне даже немного жаль нерадивого ювелира. Ведь никто не любит, когда воруют его собственность, а цари особенно.

Теперь попробуйте самостоятельно решить задачу № 5 на странице 147 учебника «Физика 7 класс» под редакцией А.В.Перышкина.

Методические советы

Тест «Закон Архимеда»

1. Сила Архимеда это:

  • сила, с которой Архимед передвигал ванну;
  • сила, которая поднимает вверх тело находящееся в жидкости или газе; (+)
  • сила мышц Архимеда;
  • сила, с которой твердое тело действует на поверхность.

2. Сила Архимеда действует:

  • на тела погруженные только в газ;
  • на тела погруженные только в жидкость;
  • на тела погруженные в газ или в жидкость; (+)
  • на тела находящиеся в невесомости.

3. Чему равно ускорение свободного падения g?

4. К пружине подвешено некое тело. Если тело погрузить в емкость с жидкостью, что произойдет с пружиной?

  • растянется больше;
  • сожмется; (+)
  • не изменится;
  • зависит от веса тела.

5. Два друга пошли плавать в реке. Один из них при погружении вытесняет объем 60 дм 3 , второй 40 дм 3 . На кого из ребят будет действовать большая сила Архимеда?

  • на того, кто лучше умеет плавать;
  • на того, кто вытеснил больше воды; (+)
  • на того, то не умеет плавать;
  • на того, кто вытеснил меньше воды.

6. Формула силы выталкивания это:

7. Если сила тяжести больше силы Архимеда, тело:

8. 4 одинаковых стальных шарика погрузили в 4 разные жидкости: чистая вода, вода мертвого моря, бензин, оливковое масло. В какой жидкости сила выталкивания будет наименьшей?

Плотность масла 915 кг/м 3 , плотность бензина 750 кг/м 3 .

  • бензин; (+)
  • вода Мертвого моря;
  • оливковое масло;
  • чистая вода.

9. Сила тяжести зависит:

  • от плотности жидкости;
  • от вытесненного объема жидкости;
  • от массы тела; +
  • от времени нахождения тела в жидкости.

10. В двух емкостях плавают два шарика равного объема. Одинакова ли сила выталкивания?

  • одинакова, т.к. объем шариков одинаков;
  • сила выталкивания больше в емкости с керосином, потому что плотность меньше воды;
  • сила выталкивания больше в емкости с водой, потому что ее плотность больше керосина. (+)

#ADVERTISING_INSERT#

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector