Flotabilitatea și principiul lui Arhimede
Full translation of the EN paragraph (content omitted: examples, independence-of-components detail, historical note as applicable per key).
Plutește versus se scufundă
Densitatea medie decide soarta: obiectele mai puțin dense decât fluidul plutesc cu o parte din volum scufundată, până când fluidul dislocuit își egalează greutatea.
Principiul lui Arhimedes
Când un obiect stă într-un fluid, el împinge o parte din fluid în afară — aceasta se numește dislocare. Fluidul îl împinge înapoi cu o forță în sus egală cu greutatea fluidului dislocat. Dacă acea împingere în sus poate egala greutatea proprie a obiectului, el plutește; dacă obiectul este prea greu pentru fluidul pe care îl dislocă, se scufundă.
Formula
F_b = ρ · V · g
- ρ — densitatea fluidului (kg/m³): masa fluidului per unitate de volum
- V — volumul dislocat (m³): volumul de fluid pe care obiectul îl împinge în afară
- g — accelerația gravitațională (m/s²): accelerația gravitațională care trage totul în jos
Exemplu rezolvat
Un bloc împinge deoparte 0.002 metri cubi de apă. Apa are densitatea de 1000 kilograme pe metru cub. Cu ce forță arhimedică împinge apa înapoi?
- 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
Testează-te
Același bloc dislocă acum 0.004 metri cubi de apă în loc de 0.002. Care este noua forță arhimedică?
- 19.6 N
- Răspuns corect: 39.2 N
- 9.8 N
Corect! Dublarea volumului dublează forța arhimedică: 1000 kg/m³ × 0.004 m³ × 9.8 m/s² = 39.2 N.
Un bloc care cântărește 15 N este pus în apă unde ar putea disloca până la 20 N de apă la scufundare completă. Ce se întâmplă?
- Răspuns corect: Plutește, pentru că forța arhimedică poate egala greutatea lui
- Se scufundă, pentru că forța arhimedică depinde doar de volum
- Plutește, pentru că toate obiectele în apă plutesc
Corect — un bloc de 15 N în apă care poate împinge înapoi cu până la 20 N de forță arhimedică va pluti, așezându-se destul de jos încât apa dislocată să cântărească exact 15 N.
Unde vezi asta
O navă de oțel plutește chiar dacă oțelul este mult mai dens decât apa, pentru că trupul ei închide destul aer cât să dislocuiască un volum enorm de apă — iar greutatea acelei ape dislocate este exact ceea ce ține nava sus. Un iceberg arată același lucru pe dos: gheața este doar puțin mai puțin densă decât apa mării, deci aproximativ 90 la sută din bloc plutește sub suprafață.
Greșeli frecvente
Cea mai frecventă greșeală este judecarea scufundării sau plutirii doar după obiect — greu nu înseamnă scufundare. Un bloc de 15 N plutește în apă dacă poate dislocui până la 20 N de apă, pentru că plutirea se decide comparând greutatea obiectului cu greutatea fluidului pe care îl poate deplasa. O a doua alunecare: împingerea unui obiect complet scufundat mai adânc nu crește forța arhimedică — volumul dislocat s-a oprit deja din creștere, deci F_b = ρ · V · g la fel.
Cum se leagă
Împingerea în sus este de fapt presiune hidrostatică deghizată: fundul unui obiect scufundat stă mai adânc decât vârful lui, iar cum presiunea crește cu adâncimea, fluidul împinge în sus pe fund mai tare decât apasă în jos pe vârf — acel dezechilibru este forța arhimedică. Principiul lui Bernoulli, următorul, preia același fluid odată ce se mișcă și schimbă acea presiune pe viteză.