Tonące ciała: ciężar a maksymalna siła wyporu
1 · Prognoza
Metalowy obciążnik wrzucono do wody i osiadł na dnie, całkowicie zanurzony. Gdy jest całkowicie zanurzony, czy zwiększenie jego ciężaru zmienia stopień zanurzenia?
- Cięższy obciążnik zanurza się jeszcze bardziej (ponad 100%).
- Już jest całkowicie zanurzony (100%), więc większa masa nie może zanurzyć go głębiej.
- Cięższy obciążnik zanurza się mniej, bo opada szybciej.
2 · Przygotowanie
- Otwórz preset tonięcia i naciśnij Reset. Obciążnik opada przez wodę i osiada na dnie zbiornika.
- Włącz sondę ułamka zanurzenia na obciążniku.
- Ustaw masę obciążnika dla każdej próby, pozwól mu osiąść i zapisz jego ułamek zanurzenia.
3 · Zbieranie danych
| Masa obciążnika m (kg) | Ciężar mg (N) | Ułamek zanurzenia |
|---|---|---|
| 3.00 | ||
| 4.00 | ||
| 5.00 |
Narysuj ułamek zanurzenia (oś y) względem ciężaru (oś x) dla trzech prób.
4 · Analiza
- Oblicz pełną objętość obciążnika z promienia (0.4 m) i maksymalną możliwą siłę wyporu ρ·g·V_full z gęstości wody 1000 kg/m³. Porównaj z ciężarem każdej próby.
- Wyjaśnij, dlaczego ułamek zanurzenia pozostaje ograniczony do 1.0 (100%), gdy ciężar przekroczy maksymalną siłę wyporu, niezależnie od tego, jak cięższy będzie obciążnik.
5 · Rozszerzenie
- Maksymalna siła wyporu tego obciążnika to około 24.6 N — każda masa poniżej około 2.5 kg pływałaby zamiast tonąć. Porównaj z eksperymentem pływania: co decyduje, czy ciało pływa czy tonie?
- Woda morska jest gęstsza od słodkiej. Czy obciążnik całkowicie zanurzony w słodkiej wodzie koniecznie zanurzy się całkowicie w morskiej? Wyjaśnij wzorem siły wyporu.
Fizyka tego eksperymentu
Prawo Archimedesa (w maksimum)
Największa siła wyporu, jaką ciało kiedykolwiek może otrzymać, to ρ·g·V_full — ciężar cieczy, którą wyparłoby przy całkowitym zanurzeniu. Gdy ciężar ciała przekroczy ten limit, tonie i pozostaje całkowicie zanurzony; dodanie masy nie zanurzy go głębiej, bo już wypiera całą swoją objętość.