Siła wyporu

1
2
Siła wyporu
Siła wyporu pojawia się po zanurzeniu ciała do płynu (cieczy lub gazu).
Powoduje ona, że ciało zaczyna być wypychane ku górze. Siła tego wypychania
pochodzi od płynu i jest związana ze zjawiskiem ciśnienia hydro- lub
aerostatycznego.
3
Skąd się bierze siła wyporu?
Powodem powstawania siły wyporu jest
fakt, że ciśnienie w płynie zmienia się wraz
z głębokością – im głębiej tym większe
ciśnienie.
Ponieważ jednak zanurzone ciało ma
pewne rozmiary, a w szczególności pewną
wysokość, to inne ciśnienie działa u góry
ciała, a inne przy jego dolnej powierzchni
(patrz ciśnienie hydrostatyczne).
Większe ciśnienie na dole niż na górze
powoduje, że od dołu do góry działa także
większa siła parcia. W efekcie zsumowania
wektorowego większej siły do góry
z mniejszą do dołu powstaje sumaryczna
siła skierowana do góry. Nazywa się ona
właśnie siłą wyporu.
4
Wartość siły wyporu
Archimedes jako pierwszy doszedł do wniosku, że siła wyporu jest równa
ciężarowi wypartego płynu. Ciało wypiera tyle płynu ile wynosi objętość jego
zanurzonej części. Gdy ciało jest zanurzone w całości, wtedy siła wyporu jest
równa ciężarowi płynu o objętości tego ciała.
5
Prawo Archimedesa
Siła wyporu działająca na ciało zanurzone w płynie
jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało.
Mówiąc inaczej, gdybyśmy dokładnie takie samo ciało
"wyrzeźbili" z wody (ale nie z lodu, bo lód jest lżejszy
niż woda!), to ciężar tej "rzeźby" dałby nam wartość
siły wyporu w wodzie. Oczywiście nie musimy
dokładnie rzeźbić ciała - wystarczy, że po prostu
weźmiemy tylko tę ilość "materiału" na naszą rzeźbę czyli wodę mającą tyle samo objętości co ciało.
Jakie wnioski wyciągamy z tego prawa:że siła wyporu
jest tym większa, im cięższy jest płyn - większa siła
wyporu jest w wodzie, niż w powietrzu i większa w
rtęci, niż w wodzie.
Siła wyporu jest tym większa, im większe (rozmiarami, objętością) jest ciało
(a przynajmniej jego zanurzona część).
6
Wzór na siłę wyporu
Siłę wyporu da się zapisać wzorem:
gdzie:
g – przyspieszenie ziemskie [w układzie SI w m/s2]
Q płynu – gęstość płynu (cieczy, gazu), w którym zanurzone
jest ciało - [w układzie SI w kg/m3]
Vzanurzenia – objętość tej części ciała, która jest zanurzona
w płynie (w układzie SI w m3)
Z siłą wyporu wiąże się możliwość pływania ciał.
7
Przykłady działania sił wyporu
W cieczy:
statki pływające po powierzchni – siła wyporu
równoważy siłę ciężkości
łodzie podwodne – statki te mają możliwość
manewrowania siłą wyporu i siłą ciężkości, dzięki
czemu są w stanie zanurzać się
i wynurzać
ryby stosują zasady takie jak łodzie podwodne
bąbelki pary unoszące się do góry podczas
wrzenia są znacznie lżejsze od wody, więc
wypływają na powierzchnię
lód jest lżejszy od wody, więc unosi się na jej
powierzchni
kamienie leżące na dnie morza oczywiście też
podlegają działaniu siły wyporu. Jednak ich ciężar
jest duży, więc ostatecznie przeważa
i powoduje, że kamienie te nie wypływają (patrz
warunki pływania ciał).
Większość obiektów swobodnie pływających
w wodzie ma ciężar właściwy zbliżony do ciężaru
wody. Dzięki temu mogą one łatwo manewrować
swoją pływalnością - wynurzać się lub zanurzać
głębiej.
8
Przykłady działania sił wyporu
W gazie:
balony, sterowce – manewrując ciężarem
(balast)
lub
wartością
siły
wyporu
(wypuszczanie gazu nośnego, lub zmiana jego
ciężaru właściwego za pomocą podgrzewania)
bańki mydlane zawierające ogrzane powietrze
z płuc początkowo unoszą się do góry (chyba,
że otaczająca je powłoka z mydła jest zbyt
ciężka)
ogrzana para wodna jest lekka, więc wznosi
się do góry tworząc chmury. Po oziębieniu
skrapla się i nabiera ciężaru (w sensie ciężaru
właściwego), co powoduje, że ostatecznie
spada w postaci deszczu.
9
10
11