Buoyancy at Prinsipyo ni Archimedes
Isang malaking barkong pangkarga na gawa sa asero ay lumulutang habang isang maliit na barya na gawa rin sa asero ay lumulubog — parehong materyales, ngunit lubhang magkaibang resulta, at ang paliwanag ay walang kinalaman sa timbang lamang. Anumang bagay na nakalubog sa isang likido ay itinutulak palabas ang bahagi ng likidong iyon, at ang likido ay tumutulak pabalik gamit ang isang paitaas na puwersa na eksaktong katumbas ng timbang ng anumang inilipat nito — isang ugnayan na natuklasan mahigit dalawang libong taon na ang nakalipas ni Archimedes at hanggang ngayon ay itinuturo pa rin, hindi nagbabago, bilang isa sa pinakamatandang dami-batayang batas sa pisika. Kung sapat ba ang paitaas na tulak na ito upang suportahan ang bagay ay hindi nakadepende sa timbang lamang kundi sa hugis nito: ang katawan ng barko ay naglilipat ng napakalaking dami ng tubig kumpara sa kanyang timbang, samantalang ang isang solidong barya ay kaunti lamang ang inililipat.
Paglutang kumpara sa paglubog
Ang average density ang nagtatakda ng kapalaran: ang mga object na mas mababa ang density kaysa fluid ay lumulutang na may bahagi ng volume nila na nasa ilalim, hanggang tumugma ang napalitang fluid sa bigat nila.
Prinsipyo ni Archimedes
Kapag nakalubog ang isang object sa fluid, ito ay nagtutulak ng fluid palayo — ito ang tinatawag na displacement. Sinasagot ng fluid ng pataas na force na katumbas ng bigat ng fluid na natanggal. Kung kayang pareho ng pataas na tulak na iyon ang bigat ng mismong object, ito ay lumulutang; kung masyadong mabigat ang object para sa fluid na nailipat nito, ito ay lumulubog.
Ang Formula
F_b = ρ · V · g
- ρ — density ng fluid (kg/m³): ang mass ng fluid kada unit volume
- V — natanggal na volume (m³): ang volume ng fluid na natulak palayo ng object
- g — gravitational acceleration (m/s²): ang gravitational acceleration na humihila pababa sa lahat
Halimbawang Nalutas
Ang isang block ay nagtutulak ng 0.002 cubic metro ng tubig palayo. Ang density ng tubig ay 1000 kilogram kada cubic metro. Anong buoyant force ang sinasagot ng tubig?
- ρ = 1000 kg/m³
- V = 0.002 m³
- g = 9.8 m/s²
- F_b = ρ · V · g
- F_b = 1000 kg/m³ · 0.002 m³ · 9.8 m/s²
F_b = 19.6 N
Subukin ang iyong sarili
Ang parehong block ay nagtatanggal ngayon ng 0.004 cubic metro ng tubig sa halip na 0.002. Ano ang bagong buoyant force?
- 19.6 N
- Tamang sagot: 39.2 N
- 9.8 N
Tama! Ang pagdoble sa volume ay nagdodoble sa buoyant force: 1000 kg/m³ × 0.004 m³ × 9.8 m/s² = 39.2 N.
Ang block na may bigat na 15 N ay inilagay sa tubig kung saan maaari itong magtanggal ng hanggang 20 N halaga ng tubig sa buong paglubog. Ano ang mangyayari?
- Tamang sagot: Lumulutang, dahil kayang pareho ng buoyant force ang bigat nito
- Lumulubog, dahil nakadepende lang ang buoyant force sa volume
- Lumulutang, dahil lahat ng bagay sa tubig ay lumulutang
Tama — ang 15 N na block sa tubig na kayang tumulak pabalik nang hanggang 20 N na buoyant force ay lulutang, na nakalubog nang sapat para eksaktong 15 N ang bigat ng natanggal na tubig.
Saan Mo Ito Makikita
Lumulutang ang isang barkong gawa sa steel kahit na mas malayo ang density ng steel kaysa sa tubig, dahil sapat ang hangin na nakakulong sa hull nito para maka-displace ng napakalaking volume ng tubig — at ang bigat ng na-displace na tubig na iyon mismo ang humahawak sa barko nang paitaas. Ginagawa ng isang iceberg ang parehong punto sa kabaligtaran: bahagya lamang mas maliit ang density ng yelo kaysa sa seawater, kaya humigit-kumulang 90 porsyento ng berg ang nasa ilalim na ng surface.
Karaniwang Mga Pagkakamali
Ang pinakakaraniwang pagkakamali ay ang paghuhusga kung lulubog o lulutang batay lamang sa bagay mismo — ang mabigat ay hindi nangangahulugang lulubog. Lumulutang sa tubig ang isang 15 N na block kung kaya nitong mag-displace ng hanggang 20 N ng tubig, dahil sa paghahambing ng bigat ng bagay sa bigat ng fluid na kayang itulak nito palayo napagpapasya ang paglutang. Pangalawang kamalian: ang pagtulak nang mas malalim sa isang object na buo nang nakalubog ay hindi nagdaragdag ng buoyant force — tumigil na sa pagbabago ang na-displace na volume, kaya tumigil na rin ang F_b = ρ · V · g.
Paano Ito Konektado
Ang paitaas na tulak ay hydrostatic pressure na naka-disguise lamang: nasa mas malalim ang ilalim ng isang nakalubog na bagay kaysa sa tuktok nito, at dahil tumataas ang pressure kasama ng lalim, mas malakas na tinutulak ng fluid paitaas ang ilalim kaysa sa pag-press nito nang pababa sa tuktok — ang kawalan ng balanse na iyon ang buoyant force. Ang prinsipyo ni Bernoulli naman ay kukunin ang parehong fluid kapag gumalaw na ito, at ipagpapalit ang pressure na iyon para sa bilis.