Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao một số vật nổi trong khi những vật khác chìm chưa? Bạn có biết rằng mọi vật thể trong chất lỏng đều chịu một lực hướng lên từ chất lỏng? Hãy đào sâu và tìm hiểu thêm.
MỤC TIÊU HỌC TẬP
Đến cuối chủ đề này, bạn được kỳ vọng sẽ;
GIỚI THIỆU
Tất cả các vật thể trong chất lỏng đều chịu một lực từ chất lỏng hướng lên cho dù chúng chìm hay nổi. Lực hướng lên này được gọi là lực đẩy lên . Lực đẩy lên còn được gọi là lực nổi và nó được ký hiệu bằng chữ “u”.
NGUYÊN LÝ ARCHIMEDES
Một nhà khoa học Hy Lạp tên là Archimedes đã tiến hành những thí nghiệm đầu tiên để đo lực đẩy lên một vật thể trong chất lỏng. Nguyên lý Archimedes phát biểu rằng “khi một vật được ngâm hoàn toàn trong chất lỏng, nó sẽ chịu một lực hướng lên bằng với trọng lượng của chất lỏng bị chiếm chỗ”.
Khi nhúng một chất rắn vào chất lỏng, lực đẩy lên chất rắn này sẽ bằng trọng lượng của phần nước bị chiếm chỗ.
Ví dụ, một khối kim loại có thể tích 60 cm 3 và nặng 4,80N trong không khí được nhúng chìm trong chất lỏng. Xác định trọng lượng của khối khi nó ngập hoàn toàn trong chất lỏng có khối lượng riêng 1200 kgm -3 .
Giải pháp
Thể tích phần chất lỏng bị chiếm chỗ = 60cm 3 = 6,0 × 10 -5 m 3 .
Trọng lượng của chất lỏng chiếm chỗ = thể tích x mật độ 6,0 × 10 -5 × 1200 × 10 = 0,72 N
Upthrust = trọng lượng của chất lỏng bị chiếm chỗ. Trọng lượng của khối trong chất lỏng = 4,80 – 0,72 = 4,08 N
VẬT NỔI
Các vật thể nổi trong chất lỏng ít đậm đặc hơn chất lỏng mà chúng nổi. Mối quan hệ giữa trọng lượng của chất lỏng bị chiếm chỗ và trọng lượng của cơ thể có thể được xác định.
Trọng lượng của chất lỏng chiếm chỗ bằng trọng lượng của một khối trong không khí. Điều này phù hợp với định luật nổi quy định rằng “một vật chiếm chỗ trọng lượng của chính nó”. Mối quan hệ này có thể được biểu diễn bằng toán học như hình bên dưới;
Trọng lượng = thể tích x mật độ x trọng lực = v × ρ × g
W = vd × ρ × g trong đó vd là thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ.
Lưu ý rằng sự nổi là một dạng đặc biệt của nguyên tắc Archimedes. Điều này là do vật thể nổi chìm xuống cho đến khi lực đẩy lên bằng với trọng lượng của vật thể.
MẬT ĐỘ TƯƠNG ĐỐI
Mật độ tương đối đã được thiết lập là tỷ lệ giữa mật độ của một chất với mật độ của nước. Theo định luật về sự nổi, một vật sẽ chiếm chỗ của một chất lỏng có trọng lượng bằng trọng lượng của chính nó, do đó, có thể thiết lập các biểu thức toán học sau.
Mật độ tương đối = \(\frac{\textrm{ density of substance}}{\textrm{density of water}}\) = \(\frac{\textrm{weight of substance}}{\textrm{weight of equal }volume of water}\) = \(\frac{\textrm{mass of substance}}{\textrm{mass of equal volume of water}}\)
ỨNG DỤNG CỦA MẬT ĐỘ TƯƠNG ĐỐI VÀ NGUYÊN LÝ ARCHIMEDES
1. Tàu . Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao một cây kim sắt chìm ngay trong nước mà một con tàu lớn thì không? Câu trả lời là nguyên lý của Archimedes. Chiếc đinh chìm vì trọng lượng của nước chiếm chỗ ít hơn trọng lượng của chiếc kim - mật độ của sắt lớn hơn mật độ của nước. Nguyên lý của Archimedes được áp dụng trong việc đóng tàu. Phần lớn của con tàu được để rỗng để làm cho con tàu nhẹ hơn lượng nước chiếm chỗ. Một lực nổi có độ lớn bằng với lượng nước chiếm chỗ giữ cho con tàu nổi.
2. Tàu ngầm . Tàu ngầm có thể nổi trên mặt nước và cũng có thể chìm dưới nước. Điều này đạt được nhờ các bình dằn và bình nén. Khi két dằn chứa đầy nước, tàu ngầm sẽ chìm dưới nước. Điều này là do nó có mật độ cao hơn nước bị chiếm chỗ. Khi nước trong két dằn được đẩy ra ngoài, với sự hỗ trợ của bình nén, mật độ của tàu ngầm giảm xuống ít hơn mật độ của nước chiếm chỗ. Do đó, tàu ngầm có thể nổi.
3. Khinh khí cầu . Quả bóng bay lên không trung khi không khí bao quanh quả bóng có trọng lượng lớn hơn quả bóng. Khi trọng lượng bằng nhau thì quả bóng đứng yên.
4. Thủy kế . Đây là một dụng cụ được sử dụng để đo trọng lượng riêng hoặc trọng lượng của chất lỏng. Nó được tạo thành từ một ống thủy tinh rỗng với phần đế rộng hơn hình bầu dục và được bịt kín hai đầu. Mức của tỷ trọng kế ngập trong chất lỏng và nước bị tỷ trọng kế chiếm chỗ được đo để có được trọng lượng riêng của chất lỏng. Nếu tỷ trọng kế chìm sâu hơn chứng tỏ mẫu đất có trọng lượng riêng nhỏ hơn.
