آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چرا برخی از اجسام شناور می شوند در حالی که برخی دیگر غرق می شوند؟ آیا می‌دانستید که هر جسمی در مایع، نیرویی رو به بالا از مایع متحمل می‌شود؟ بیایید حفاری کنیم و بیشتر بدانیم.
اهداف یادگیری
تا پایان این مبحث، انتظار می رود که؛
معرفی
تمام اجسام در یک مایع، چه در زیر آب باشند و چه شناور، نیرویی رو به بالا از مایع تجربه می کنند. این نیروی رو به بالا به عنوان نیروی رو به بالا نامیده می شود. نیروی رانش را نیروی شناور نیز می نامند و با حرف "u" نشان داده می شود.
اصل ارشمیدس
یک دانشمند یونانی به نام ارشمیدس اولین آزمایش‌ها را برای اندازه‌گیری نیروی رانش روی یک جسم در مایع انجام داد. اصل ارشمیدس بیان می‌کند که وقتی جسمی به طور کامل در یک سیال غوطه‌ور می‌شود، نیرویی رو به بالا را تجربه می‌کند که برابر با وزن سیال جابجا شده است.
هنگامی که یک جامد در یک مایع غوطه ور می شود، نیروی رانش روی این جامد برابر با وزن آب جابجا شده خواهد بود.
به عنوان مثال، یک بلوک فلزی که حجم آن 60 سانتی متر مکعب و وزن آن 4.80 نیوتن در هوا است در یک مایع غوطه ور می شود. وزن بلوک را زمانی که به طور کامل در مایعی با چگالی 1200 کیلوگرم بر متر مکعب غوطه ور است، تعیین کنید.
راه حل
حجم مایع جابجا شده = 60cm 3 = 6.0 × 10 -5 m 3 .
وزن مایع جابجا شده = حجم x چگالی 6.0 × 10 -5 × 1200 × 10 = 0.72 نیوتن
رو به بالا = وزن مایع جابجا شده. وزن بلوک در مایع = 4.80 - 0.72 = 4.08 نیوتن
اشیاء شناور
اجسامی که در مایعات شناور هستند، چگالی کمتری نسبت به مایعاتی دارند که در آنها شناور هستند. رابطه بین وزن مایع جابجا شده و وزن بدن را می توان تعیین کرد.
وزن مایع جابجا شده برابر با وزن یک بلوک در هوا است. این با قانون شناورسازی مطابقت دارد که می گوید "یک جسم وزن خود را جابجا می کند". این رابطه را می توان به صورت ریاضی به شکل زیر نشان داد.
وزن = حجم x چگالی x گرانش = v × ρ × g
W = vd × ρ × g که در آن vd حجم مایع جابجا شده است.
توجه داشته باشید که شناورسازی نوع خاصی از اصل ارشمیدس است. این به این دلیل است که یک جسم شناور آنقدر غرق می شود که رانش به سمت بالا با وزن بدن برابر شود.
چگالی نسبی
چگالی نسبی به عنوان نسبت چگالی یک ماده به چگالی آب تعیین شده است. بر اساس قانون شناور، یک جسم مایعی را جابجا می کند که برابر با وزن خودش است، بنابراین می توان عبارات ریاضی زیر را ایجاد کرد.
چگالی نسبی = \(\frac{\textrm{ density of substance}}{\textrm{density of water}}\) \(\frac{\textrm{weight of substance}}{\textrm{weight of equal }volume of water}\) = \(\frac{\textrm{mass of substance}}{\textrm{mass of equal volume of water}}\)
کاربردهای چگالی نسبی و اصل ارشمیدس
1. کشتی . آیا تا به حال فکر کرده اید که چرا یک سوزن آهنی بلافاصله در آب غرق می شود اما یک کشتی بزرگ نه؟ پاسخ اصل ارشمیدس است. میخ فرو می رود زیرا وزن آب جابجا شده کمتر از وزن سوزن است - چگالی آهن از آب بیشتر است. اصل ارشمیدس در ساخت کشتی ها به کار می رود. بخش‌های بزرگی از کشتی خالی مانده تا وزن کشتی کمتر از آب جابجا شده باشد. نیروی شناوری با بزرگی برابر با آب جابجا شده، کشتی را شناور نگه می دارد.
2. زیردریایی ها یک زیردریایی می تواند روی آب شناور باشد و همچنین می تواند در آب غوطه ور شود. این توسط مخازن بالاست و فشرده به دست می آید. هنگامی که مخزن بالاست با آب پر می شود، زیردریایی به زیر آب می رود. این به این دلیل است که چگالی آن بیشتر از آب جابجا شده است. هنگامی که آب در مخزن بالاست خارج می شود، با کمک مخزن فشرده، چگالی زیردریایی کمتر از چگالی آب جابجا می شود. بنابراین، زیردریایی قادر به شناور شدن است.
3. بالون هوای گرم . بالون زمانی در هوا بلند می شود که هوای اطراف بالون وزن بیشتری نسبت به بالون داشته باشد. هنگامی که وزن برابر است، بالون ثابت می ماند.
4. آب سنج . این وسیله ای است که برای اندازه گیری وزن مخصوص یا گرانش مایعات استفاده می شود. این از یک لوله شیشه ای توخالی با پایه گسترده تر به شکل حباب تشکیل شده است و از هر دو انتهای آن مهر و موم شده است. سطح هیدرومتری که در یک مایع غوطه ور می شود و آب جابجا شده توسط هیدرومتر برای بدست آوردن وزن مخصوص مایع اندازه گیری می شود. اگر هیدرومتر عمیق تر فرو رود، نشان می دهد که خاک نمونه وزن مخصوص کمتری دارد.
