Warunki pływanie ciał Wzór na siłę wyporu Prawo Archimedesa a pływanie ciał

(1)

Witam po dłuższe przerwie.

Waszym zadaniem będzie sporządzenie notatki do 15.05.2020 (piątek). Sporządzona notatka ma byd napisana ręcznie w zeszycie i podpisana (imię i nazwisko oraz klasa); następnie zrobione zdjęcie lub scan i wysłane pod adres juratj@wp.pl w celu sprawdzenia.

Brak nadesłania notateki w terminie jest jednoznaczne z otrzymaniem oceny niedostatecznej.

Temat lekcji

Prawo Archimedesa a pływanie ciał

Na każde ciało zanurzone w cieczy i gazie działają dwie siły, jedna pionowo w dół zwana siłą ciężkości i druga pionowo w górę zwana siłą wyporu.

Prawo Archimedesa formułuje się słownie w następujący sposób:

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

Wzór na siłę wyporu

Siłę wyporu "Fw" da się zapisać wzorem:

F_w = d ∙g ∙V

d

- gęstość płynu (cieczy, gazu) w którym zanurzone jest ciało - [w układzie SI w kg/m³] V – objętość tej części ciała, która jest zanurzona w płynie (w układzie SI w m³)

g – przyspieszenie ziemskie [w układzie SI w m/s²] dla Polski wynosi g = 9,81m/s², do zadań g = 10m/s²

Warunki 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.

(2)

Pływanie ciał całkowicie zanurzonych

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

Trzy 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.

3. siły wyporu i ciężkości są sobie równe – wtedy ciało pozostaje w bezruchu unosząc się w płynie

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:

1. jeżeli gęstość ciała jest większa niż gęstość płynu (dciała > ρpłynu), wtedy ciało będzie tonąć.

2. jeżeli gęstość ciała jest mniejsza niż gęstość płynu (dciała < ρpłynu), wtedy ciało będzie wypływać na powierzchnię.

Przykłady 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 też podlegają działaniu siły wyporu. Jednak ich ciężar jest duży, więc ostatecznie przeważa i powoduje, że kamienie nie wypływają.

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.

(3)

W gazie:

 balony, sterowce – manewrując ciężarem (balast) lub wartością siły wyporu (wypuszczanie gazu nośnego, lub zmiana jego ciężaru właściwego za pomocą podgrzewania)

 baoki 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.

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).

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.

Proszę obejrzed filmiki z podanych linków https://youtu.be/TulFtxO6l6w

https://youtu.be/Xb9gT7q0218

Wychowawca klasy i jednocześnie nauczyciel fizyki : Tomasz Jurewicz