Lực đẩy nổi
Một con tàu chở hàng bằng thép đồ sộ nổi trên mặt nước trong khi một đồng xu thép nhỏ lại chìm — cùng một chất liệu, nhưng kết quả hoàn toàn khác nhau, và lời giải thích không chỉ liên quan đến trọng lượng. Bất kỳ vật thể nào chìm trong chất lỏng đều đẩy một phần chất lỏng đó ra chỗ khác, và chất lỏng đẩy ngược lại bằng một lực hướng lên đúng bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị chiếm chỗ — một mối quan hệ được Archimedes phát hiện hơn hai nghìn năm trước và đến nay vẫn được giảng dạy nguyên vẹn như một trong những định luật định lượng lâu đời nhất của vật lý. Lực đẩy hướng lên đó có đủ để nâng đỡ vật thể hay không không chỉ phụ thuộc vào trọng lượng của nó mà còn vào hình dạng: thân một con tàu chiếm chỗ một thể tích nước khổng lồ so với trọng lượng của nó, trong khi một đồng xu đặc chỉ chiếm chỗ rất ít.
Nổi và chìm
Một vật nổi khi lực đẩy nổi có thể cân bằng trọng lượng của nó trước khi vật bị chìm hoàn toàn. Nếu khối lượng riêng trung bình của vật lớn hơn của chất lưu, nó sẽ chìm vì lực đẩy nổi cực đại quá nhỏ.
Nguyên Lý Archimedes
Khi một vật nằm trong chất lỏng, nó đẩy một phần chất lỏng ra khỏi chỗ — gọi là sự chiếm chỗ. Chất lỏng đẩy ngược lại bằng một lực hướng lên bằng trọng lượng của chất lỏng bị chiếm chỗ. Nếu lực đẩy lên đó bằng trọng lượng của vật, nó nổi; nếu vật quá nặng so với chất lỏng nó chiếm chỗ, nó chìm.
Công thức
F_b = ρ · V · g
- ρ — khối lượng riêng chất lỏng (kg/m³): khối lượng của chất lỏng trên một đơn vị thể tích
- V — thể tích bị chiếm chỗ (m³): thể tích chất lỏng bị vật đẩy ra khỏi chỗ
- g — gia tốc trọng trường (m/s²): gia tốc trọng trường kéo mọi thứ xuống
Ví dụ đã giải
Một khối vật đẩy 0,002 mét khối nước ra khỏi chỗ. Nước có khối lượng riêng 1000 kilôgam trên mét khối. Nước đẩy ngược lại với lực đẩy nào?
- 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
Tự kiểm tra
Cùng khối vật giờ chiếm chỗ 0,004 mét khối nước thay vì 0,002. Lực đẩy mới là bao nhiêu?
- 19.6 N
- Đáp án đúng: 39.2 N
- 9.8 N
Đúng! Tăng gấp đôi thể tích tăng gấp đôi lực đẩy: 1000 kg/m³ × 0,004 m³ × 9,8 m/s² = 39,2 N.
Một khối vật nặng 15 N được đặt trong nước, nơi nó có thể chiếm chỗ tối đa 20 N nước khi chìm hoàn toàn. Điều gì xảy ra?
- Đáp án đúng: Nó nổi, vì lực đẩy có thể bằng trọng lượng của nó
- Nó chìm, vì lực đẩy chỉ phụ thuộc vào thể tích
- Nó nổi, vì mọi vật trong nước đều nổi
Đúng — một khối 15 N trong nước có thể đẩy ngược lại tới 20 N khi chìm hoàn toàn sẽ nổi, nằm đủ thấp để nước bị chiếm chỗ nặng đúng 15 N.
Bạn thấy điều này ở đâu
Một con tàu thép vẫn nổi được dù thép đặc hơn nước rất nhiều, vì vỏ tàu ôm đủ không khí để chiếm chỗ một thể tích nước khổng lồ — và trọng lượng của lượng nước bị chiếm chỗ ấy chính là thứ giữ con tàu nổi. Một tảng băng trôi chứng minh cùng một điều theo chiều ngược lại: băng chỉ kém đặc hơn nước biển một chút, nên khoảng 90 phần trăm khối băng nằm dưới mặt nước.
Những sai lầm phổ biến
Lỗi phổ biến nhất là phán đoán chìm hay nổi chỉ dựa vào bản thân vật — nặng không có nghĩa là chìm. Một khối 15 N vẫn nổi trong nước nếu nó chiếm chỗ được tới 20 N nước, vì việc nổi hay chìm được quyết định bằng cách so trọng lượng của vật với trọng lượng phần chất lỏng mà nó có thể đẩy ra. Lỗi thứ hai: đẩy một vật đã chìm hoàn toàn xuống sâu hơn không làm tăng lực đẩy Archimedes — thể tích bị chiếm chỗ đã ngừng thay đổi từ lâu, nên F_b = ρ · V · g cũng vậy.
Nó liên kết như thế nào
Lực đẩy hướng lên chính là áp suất thủy tĩnh cải trang: đáy của một vật chìm nằm sâu hơn đỉnh của nó, và vì áp suất tăng theo độ sâu nên chất lỏng đẩy lên đáy mạnh hơn nó ép xuống đỉnh — chính sự mất cân bằng đó là lực đẩy Archimedes. Nguyên lý Bernoulli, tiếp theo, nhặt lại chính chất lỏng ấy khi nó bắt đầu chuyển động, và đánh đổi áp suất đó lấy tốc độ.