Pourquoi pouvons-nous nous allonger à la surface de la mer sans sombrer au fond ? Pourquoi les navires lourds flottent-ils à la surface de l’eau ?
Il existe probablement une sorte de force qui pousse les personnes et les bateaux, c'est-à-dire tous les corps, hors de l'eau et leur permet de flotter à la surface.
La dépendance de la pression dans un liquide ou un gaz sur la profondeur d'immersion d'un corps conduit à l'apparition d'une force de flottabilité, ou autrement la force d'Archimède, agissant sur tout corps immergé dans un liquide ou un gaz. Examinons de plus près la force d'Archimède à l'aide d'un exemple.
Nous avons tous lancé des bateaux dans des flaques d'eau. Qu'est-ce qu'un bateau sans capitaine ? Qu’avons-nous observé ? Le navire s'enfonce encore plus sous le poids du capitaine. Et si on plaçait cinq ou huit capitaines sur notre bateau ? Notre bateau a coulé au fond.
Que pouvons-nous apprendre d’utile cette experience? Lorsque le poids du bateau a augmenté, nous avons vu que le bateau s'enfonçait plus bas dans l'eau. Autrement dit, le poids corporel augmentait la pression sur l’eau, mais la force de flottabilité restait la même.
Lorsque le poids du corps dépassait la force de flottabilité, le bateau, sous l'influence de cette force, coulait au fond. Autrement dit, il existe une force de flottabilité qui est la même pour un corps particulier, mais différente pour différents corps.
La force de poussée, également appelée force d'Archimède, agissant sur un corps immergé dans un liquide est égale au poids du liquide déplacé par ce corps.
Une brique, comme chacun le sait, coulera au fond de toute façon, mais une porte en bois flottera non seulement à la surface, mais pourra également contenir quelques passagers. Ce pouvoir est appelé force archimédienne et s'exprime par la formule :
Fout = g*m f = g* ρ f * V f = P f,
où m est la masse du liquide,
et Pf est le poids du fluide déplacé par le corps.
Et puisque notre masse est égale à : m f = ρ f * V f, alors d'après la formule force archimédienne on voit qu'elle ne dépend pas de la densité du corps immergé, mais seulement du volume et de la densité du fluide déplacé par le corps.
La force archimédienne est quantité de vecteur. La raison de l'existence de la force de poussée est la différence de pression sur les parties supérieure et inférieure du corps. La pression indiquée sur la figure est P 2 > P 1 en raison de la plus grande profondeur. Pour que la force d'Archimède se manifeste, il suffit que le corps soit au moins partiellement immergé dans le liquide.
Ainsi, si un corps flotte à la surface d'un liquide, alors la force de poussée agissant sur la partie de ce corps immergée dans le liquide est égale à la force gravitationnelle du corps entier. Si la densité corporelle plus de densité liquide, alors le corps coule, s'il est moins, alors il flotte.
Un corps immergé dans un liquide perd autant de poids que l’eau qu’il déplace. Il est donc naturel de supposer que si le poids corporel Moins de poids de l'eau du même volume, alors elle flottera à la surface, et si elle est plus grande, elle coulera.
Si le poids du corps et de l'eau est égal, alors le corps peut remarquablement bien nager dans l'eau, comme le font tous les habitants aquatiques. La densité des organismes vivant dans l’eau n’est presque pas différente de la densité de l’eau, ils n’ont donc pas besoin de squelettes solides !
Les poissons régulent leur profondeur de plongée en modifiant la densité moyenne de leur corps. Pour ce faire, il leur suffit de modifier le volume de la vessie natatoire en contractant ou en relâchant les muscles.
Au large des côtes égyptiennes, on trouve un étonnant poisson fagak. L'approche du danger oblige le fagak à avaler rapidement de l'eau. Dans le même temps, une décomposition rapide des produits alimentaires se produit dans l'œsophage du poisson avec la libération de un montant significatif des gaz Les gaz remplissent non seulement la cavité active de l'œsophage, mais également l'excroissance aveugle qui y est attachée. En conséquence, le corps du phagak gonfle considérablement et, conformément à la loi d'Archimède, il flotte rapidement à la surface du réservoir. Ici, il nage, la tête en bas, jusqu'à ce que les gaz libérés dans son corps disparaissent. Ensuite, la gravité le descend au fond du réservoir, où il se réfugie parmi les algues du fond.
La loi d'Archimède est la loi de la statique des liquides et des gaz, selon laquelle une force de poussée agit sur un corps immergé dans un liquide (ou un gaz), égal au poids fluides dans le volume corporel.
Arrière-plan
« Eurêka ! (« Trouvé ! ») - telle est l'exclamation, selon la légende, de l'ancien scientifique et philosophe grec Archimède, qui a découvert le principe du refoulement. La légende raconte que le roi syracusain Héron II a demandé au penseur de déterminer si sa couronne était en or pur sans nuire à la couronne royale elle-même. Il n'était pas difficile de peser la couronne d'Archimède, mais cela ne suffisait pas - il fallait déterminer le volume de la couronne afin de calculer la densité du métal à partir duquel elle était coulée et déterminer s'il s'agissait d'or pur. Puis, selon la légende, Archimède, préoccupé par la manière de déterminer le volume de la couronne, plongea dans le bain - et remarqua soudain que le niveau d'eau dans le bain avait augmenté. Et puis le scientifique s'est rendu compte que le volume de son corps déplaçait un volume d'eau égal, donc la couronne, si elle était abaissée dans un bassin rempli à ras bord, déplacerait un volume d'eau égal à son volume. Une solution au problème fut trouvée et, selon la version la plus courante de la légende, le scientifique courut rapporter sa victoire au palais royal, sans même prendre la peine de s'habiller.
Cependant, ce qui est vrai est vrai : c'est Archimède qui a découvert le principe de la flottabilité. Si un corps solide est immergé dans un liquide, il déplacera un volume de liquide égal au volume de la partie du corps immergée dans le liquide. La pression qui agissait auparavant sur le liquide déplacé va désormais agir sur le corps solide qui l'a déplacé. Et, si la force de poussée agissant verticalement vers le haut s'avère être plus de pouvoir la gravité tirant le corps verticalement vers le bas, le corps flottera vers le haut ; sinon il coulera (se noiera). Parlant langue moderne, un corps flotte s'il densité moyenne moins de densité le liquide dans lequel il est immergé.
Loi d'Archimède et théorie cinétique moléculaire
Dans un fluide au repos, la pression est produite par les impacts de molécules en mouvement. Lorsqu'un certain volume de liquide est déplacé corps solide, l'impulsion ascendante des collisions des molécules ne tombera pas sur les molécules liquides déplacées par le corps, mais sur le corps lui-même, ce qui explique la pression exercée sur lui par le bas et le poussant vers la surface du liquide. Si le corps est complètement immergé dans le liquide, la force de flottaison continuera à agir sur lui, car la pression augmente avec la profondeur et la partie inférieure du corps est soumise à plus de pression que la partie supérieure, où se trouve la force de poussée. surgit. C'est l'explication de la force de poussée au niveau moléculaire.
Cette tendance à la poussée explique pourquoi un navire en acier, beaucoup plus dense que l'eau, reste à flot. Le fait est que le volume d'eau déplacé par un navire est égal au volume d'acier immergé dans l'eau plus le volume d'air contenu à l'intérieur de la coque du navire sous la ligne de flottaison. Si nous faisons la moyenne de la densité de la coque et de l'air à l'intérieur, il s'avère que la densité du navire (telle que corps physique) est inférieure à la densité de l'eau, donc la force de poussée agissant sur elle à la suite des impulsions ascendantes de l'impact des molécules d'eau est plus élevée force gravitationnelle la gravité de la Terre tire le navire vers le fond – et le navire flotte.
Formulation et explications
Le fait qu'une certaine force agisse sur un corps immergé dans l'eau est bien connu de tous : les corps lourds semblent devenir plus légers - par exemple, notre propre corps lorsqu'on est immergé dans un bain. Lorsque vous nagez dans une rivière ou dans une mer, vous pouvez facilement soulever et déplacer des pierres très lourdes au fond, qui ne peuvent pas être soulevées sur terre. En même temps, les corps légers résistent à l’immersion dans l’eau : couler une balle de la taille d’une petite pastèque demande à la fois force et dextérité ; Il ne sera probablement pas possible d'immerger une balle d'un demi-mètre de diamètre. Il est intuitivement clair que la réponse à la question : pourquoi un corps flotte (et un autre coule) est étroitement liée à l'effet du liquide sur le corps qui y est immergé ; on ne peut pas se contenter de la réponse selon laquelle les corps légers flottent et les corps lourds coulent : une plaque d'acier, bien sûr, coulera dans l'eau, mais si vous en faites une boîte, alors elle peut flotter ; cependant, son poids n'a pas changé.
Existence pression hydrostatique conduit au fait que tout corps situé dans un liquide ou un gaz est soumis à une force de flottaison. Archimède fut le premier à déterminer expérimentalement la valeur de cette force dans les liquides. La loi d'Archimède est formulée comme suit : un corps immergé dans un liquide ou un gaz est soumis à une force de flottabilité égale au poids de la quantité de liquide ou de gaz déplacée par la partie immergée du corps.
Formule
La force d'Archimède agissant sur un corps immergé dans un liquide peut être calculée par la formule : F A = ρf gV Ven,
où ρl est la densité du liquide,
g – accélération de chute libre,
Vpt est le volume de la partie du corps immergée dans le liquide.
Le comportement d'un corps situé dans un liquide ou un gaz dépend de la relation entre les modules de gravité Ft et la force d'Archimède FA, qui agissent sur ce corps. Les trois cas suivants sont possibles :
1) Ft > FA – le corps coule ;
2) Ft = FA – le corps flotte dans un liquide ou un gaz ;
3) Pi< FA – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
LOI D'ARCHIMÈDE– la loi de la statique des liquides et des gaz, selon laquelle un corps immergé dans un liquide (ou un gaz) est soumis à une poussée d'Archimède égale au poids du liquide dans le volume du corps.
Le fait qu'une certaine force agisse sur un corps immergé dans l'eau est bien connu de tous : les corps lourds semblent devenir plus légers - par exemple, notre propre corps lorsqu'il est immergé dans un bain. Lorsque vous nagez dans une rivière ou dans la mer, vous pouvez facilement soulever et déplacer des pierres très lourdes au fond - des pierres que nous ne pouvons pas soulever sur terre ; le même phénomène est observé lorsque, pour une raison quelconque, une baleine s'avère échouée sur le rivage - hors Environnement aquatique l'animal ne peut pas bouger - son poids dépasse les capacités de son système musculaire. En même temps, les corps légers résistent à l’immersion dans l’eau : couler une balle de la taille d’une petite pastèque demande à la fois force et dextérité ; Il ne sera probablement pas possible d'immerger une balle d'un demi-mètre de diamètre. Il est intuitivement clair que la réponse à la question : pourquoi un corps flotte (et un autre coule) est étroitement liée à l'effet du liquide sur le corps qui y est immergé ; on ne peut pas se contenter de la réponse selon laquelle les corps légers flottent et les corps lourds coulent : une plaque d'acier, bien sûr, coulera dans l'eau, mais si vous en faites une boîte, alors elle peut flotter ; cependant, son poids n'a pas changé. Pour comprendre la nature de la force agissant sur un corps immergé du côté d'un liquide, il suffit de considérer un exemple simple (Fig. 1).
Cube avec un bord un immergé dans l'eau, et l'eau et le cube sont immobiles. On sait que la pression dans un liquide lourd augmente proportionnellement à la profondeur - il est évident qu'une colonne de liquide plus élevée appuie plus fortement sur la base. Il est beaucoup moins évident (voire pas évident du tout) que cette pression agisse non seulement vers le bas, mais aussi latéralement et vers le haut avec la même intensité : c'est la loi de Pascal.
Si l'on considère les forces agissant sur le cube (Fig. 1), alors, en raison de la symétrie évidente, les forces agissant sur les forces opposées faces latérales, directions égales et opposées - ils essaient de comprimer le cube, mais ne peuvent pas influencer son équilibre ou son mouvement. Il reste des forces agissant sur les faces supérieure et inférieure. Laisser h– profondeur d'immersion du haut de la face, r– la densité du fluide, g- Accélération de la gravité; alors la pression sur la face supérieure est égale à
r· g · h = p 1
et en bas
r· g(h+a)=p 2
La force de pression est égale à la pression multipliée par la surface, c'est-à-dire
F 1 = p 1 · un\up122, F 2 = p 2 · un\up122 , où un– l'arête du cube,
et la force F 1 est dirigé vers le bas et la force F 2 – vers le haut. Ainsi, l'action du liquide sur le cube se réduit à deux forces - F 1 et F 2 et est déterminé par leur différence, qui est la force de poussée :
F 2 – F 1 =r· g· ( h+a)un\up122 – r gha· un 2 = pga 2
La force est dynamique, puisque bord inférieur, naturellement, est situé en dessous de celui du haut et la force agissant vers le haut est supérieure à la force agissant vers le bas. Ordre de grandeur F 2 – F 1 = pga 3 est égal au volume du corps (cube) un 3 fois le poids d'un centimètre cube liquide (si l'on prend 1 cm comme unité de longueur). En d’autres termes, la force de poussée, souvent appelée force d’Archimède, est égale au poids du liquide dans le volume du corps et est dirigée vers le haut. Cette loi a été établie par l'ancien scientifique grec Archimède, l'un des plus grands scientifiques de la planète.
Si le corps forme libre(Fig. 2) occupe du volume à l'intérieur du liquide V, alors l'effet d'un liquide sur un corps est entièrement déterminé par la pression répartie sur la surface du corps, et on constate que cette pression est totalement indépendante de la matière du corps - (« le liquide ne se soucie pas de quoi appuyer sur").
Pour déterminer la force de pression résultante sur la surface du corps, vous devez retirer mentalement du volume V corps donné et remplir (mentalement) ce volume avec le même liquide. D'une part, il y a un récipient avec un liquide au repos, d'autre part, à l'intérieur du volume V- un corps constitué d'un liquide donné, et ce corps est en équilibre sous l'influence de son propre poids (le liquide est lourd) et de la pression du liquide à la surface du volume V. Puisque le poids du liquide dans le volume d'un corps est égal à pgV et est équilibré par les forces de pression résultantes, alors sa valeur est égale au poids du liquide dans le volume V, c'est à dire. pgV.
Après avoir mentalement effectué le remplacement inverse - le placer en volume V corps donné et notant que ce remplacement n'affectera pas la répartition des forces de pression à la surface du volume V, on peut conclure : un corps immergé dans un liquide lourd au repos est soumis à une force ascendante (force d'Archimède), égale au poids du liquide dans le volume du corps donné.
De même, on peut montrer que si un corps est partiellement immergé dans un liquide, alors la force d'Archimède est égale au poids du liquide dans le volume de la partie immergée du corps. Si dans ce cas la force d’Archimède est égale au poids, alors le corps flotte à la surface du liquide. Évidemment, si Immersion totale La force d'Archimède sera inférieure au poids du corps, alors il se noiera. Archimède a introduit le concept " densité spécifique» g, c'est à dire. poids par unité de volume d'une substance : g = page; si l'on suppose que pour l'eau g= 1, alors un corps solide de matière pour lequel g> 1 va se noyer, et quand g < 1 будет плавать на поверхности; при g= 1 un corps peut flotter (planer) à l'intérieur d'un liquide. En conclusion, notons que la loi d'Archimède décrit le comportement des ballons dans les airs (au repos à faibles vitesses).
Vladimir Kouznetsov
