Haben Sie sich jemals gefragt, warum manche Objekte schwimmen, während andere sinken? Wussten Sie, dass jedes Objekt in einer Flüssigkeit eine Aufwärtskraft von der Flüssigkeit erfährt? Lassen Sie uns eintauchen und mehr erfahren.
LERNZIELE
Am Ende dieses Themas sollten Sie Folgendes tun:
EINFÜHRUNG
Alle Objekte in einer Flüssigkeit erfahren eine nach oben gerichtete Kraft von der Flüssigkeit, egal ob sie eingetaucht oder schwimmend sind. Diese Aufwärtskraft wird als Aufwärtsschubkraft bezeichnet. Die Auftriebskraft wird auch als Auftriebskraft bezeichnet und mit dem Buchstaben „u“ bezeichnet.
ARCHIMEDES PRINZIP
Ein griechischer Wissenschaftler namens Archimedes führte die ersten Experimente durch, um den Auftrieb an einem Objekt in Flüssigkeit zu messen. Das archimedische Prinzip besagt: „Wenn ein Körper vollständig in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, erfährt er eine Aufwärtskraft, die gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist“.
Wenn ein Festkörper in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, ist der Auftrieb auf diesen Festkörper gleich dem Gewicht des verdrängten Wassers.
Beispielsweise wird ein Metallblock mit einem Volumen von 60 cm 3 und einem Gewicht von 4,80 N in der Luft in eine Flüssigkeit getaucht. Bestimmen Sie das Gewicht des Blocks, wenn er vollständig in eine Flüssigkeit mit einer Dichte von 1.200 kgm -3 eingetaucht ist.
Lösung
Volumen der verdrängten Flüssigkeit = 60 cm 3 = 6,0 × 10 –5 m 3 .
Gewicht der verdrängten Flüssigkeit = Volumen x Dichte 6,0 × 10 –5 × 1200 × 10 = 0,72 N
Auftrieb = Gewicht der verdrängten Flüssigkeit. Gewicht des Blocks in Flüssigkeit = 4,80 – 0,72 = 4,08 N
SCHWIMMENDE GEGENSTÄNDE
Objekte, die in Flüssigkeiten schwimmen, haben eine geringere Dichte als die Flüssigkeiten, in denen sie schwimmen. Das Verhältnis zwischen dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit und dem des Körpers kann bestimmt werden.
Das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit entspricht dem Gewicht eines Blocks in der Luft. Dies steht im Einklang mit dem Flotationsgesetz, das besagt, dass „ein Körper sein eigenes Gewicht verlagert“. Diese Beziehung kann wie unten gezeigt mathematisch dargestellt werden;
Gewicht = Volumen x Dichte x Gravitation = v × ρ × g
W = vd × ρ × g wobei vd das Volumen der verdrängten Flüssigkeit ist.
Beachten Sie, dass die Flotation eine spezielle Art des Archimedes-Prinzips ist. Denn ein schwimmender Körper sinkt, bis der Auftrieb dem Körpergewicht entspricht.
RELATIVE DICHTE
Die relative Dichte wurde als Verhältnis der Dichte eines Stoffes zur Dichte von Wasser festgelegt. Durch das Flotationsgesetz verdrängt ein Objekt eine Flüssigkeit, die gleich seinem eigenen Gewicht ist, daher können die folgenden mathematischen Ausdrücke aufgestellt werden.
Relative Dichte = \(\frac{\textrm{ density of substance}}{\textrm{density of water}}\) = \(\frac{\textrm{weight of substance}}{\textrm{weight of equal }volume of water}\) = \(\frac{\textrm{mass of substance}}{\textrm{mass of equal volume of water}}\)
ANWENDUNGEN DER RELATIVEN DICHTE UND DES ARCHIMEDES-PRINZIP
1. Schiffe . Haben Sie sich jemals gefragt, warum eine eiserne Nadel sofort im Wasser versinkt, aber kein großes Schiff? Die Antwort ist das Prinzip von Archimedes. Der Nagel sinkt, weil das Gewicht des verdrängten Wassers geringer ist als das der Nadel - die Dichte von Eisen ist größer als die von Wasser. Das archimedische Prinzip wird beim Bau von Schiffen angewendet. Große Teile des Schiffes werden hohl gelassen, damit das Schiff weniger wiegt als verdrängtes Wasser. Eine Auftriebskraft in der Größenordnung des verdrängten Wassers hält das Schiff über Wasser.
2. U-Boote . Ein U-Boot kann auf dem Wasser schwimmen und auch untergetaucht werden. Dies wird durch die Ballast- und Drucktanks erreicht. Wenn der Ballasttank mit Wasser gefüllt ist, wird das U-Boot untergetaucht. Denn es hat eine höhere Dichte als das verdrängte Wasser. Wenn das Wasser im Ballasttank mit Hilfe des Drucktanks ausgestoßen wird, sinkt die Dichte des U-Bootes weniger als die Dichte des verdrängten Wassers. Daher kann das U-Boot schwimmen.
3. Heißluftballons . Der Ballon steigt in die Luft, wenn die den Ballon umgebende Luft ein größeres Gewicht hat als der Ballon. Bei gleichem Gewicht bleibt der Ballon stehen.
4. Aräometer . Dies ist ein Instrument zur Messung des spezifischen Gewichts oder der Schwerkraft von Flüssigkeiten. Es besteht aus einem hohlen Glasrohr mit einem breiteren Sockel in Zwiebelform und ist an beiden Enden verschlossen. Der Füllstand des Aräometers, der in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, und das vom Aräometer verdrängte Wasser wird gemessen, um das spezifische Gewicht einer Flüssigkeit zu erhalten. Sinkt das Aräometer tiefer, zeigt dies an, dass der Probenboden ein geringeres spezifisches Gewicht hat.
