¿Qué es la ley de Arquímedes?

Leyes de la Física: La fuerza resultante que el fluido ejerce sobre un objeto sumergido en un fluido estacionario es igual a la gravedad del fluido desplazado por el objeto. Esta fuerza resultante se llama flotabilidad. Se trata de la famosa "ley de Arquímedes" (Arquímedes), también conocida como principio de Arquímedes [1], el principio de flotabilidad. Este teorema fue descubierto por el antiguo erudito griego Arquímedes (287-212 a.C.) antes del año 200 a.C. El tamaño de la fuerza de flotación se puede calcular mediante la siguiente fórmula: F flotador = ρ líquido (gas) gV descarga.

Fórmula Expresión matemática: F flotador = G fila = ρ líquido (gas)·g·V fila.

Unidades: F flotador——Newton, ρ líquido (gas)——kg/m?, g——N/kg, V descarga——m?.

Factores de flotabilidad relacionados: La flotabilidad solo está relacionada con ρ líquido y V descarga, y no tiene nada que ver con ρ objeto (objeto G) y la profundidad, y no tiene relación directa con el objeto V.

Cuando el objeto está completamente sumergido en líquido o gas, V descarga = V objeto; pero cuando solo una parte del objeto está sumergido en el líquido, V descarga < V objeto.

Ámbito de aplicación: líquido, gas.

Según la causa de la flotabilidad, la diferencia de presión en la superficie inferior de la mesa superior:

p=ρ. líquido gh1,= ρ líquido (gas) gh2 = ρ líquido g (h1 + l

F flotador = F arriba - F abajo = pl2 - l2 = ρ líquido g [h1 - (h1 + l). )] l2 =ρ líquido·g·V fila.

Ejemplo de física [Ejemplo 1] Hay un bloque de aleación con una masa de 10 kg. Cuando está completamente sumergido en agua, se requiere una fuerza de 80 N para tirar de él. Calcula: ¿Cuánta fuerza de flotación es? bloque de aleación experimentando en este momento?

[Análisis] Según G=mg, se puede obtener la gravedad del bloque de metal. La flotabilidad es la diferencia entre la gravedad y la fuerza de tracción.

[Respuesta]G=mg=10kg×9.8N/kg=98N

F float=G-F pull=98N-80N=18N

Respuesta: Metal La fuerza de flotación sobre el bloque es de 18N.

[Ejemplo 2] Cuando una pelota de tenis de mesa se sumerge completamente en agua, su flotabilidad cambia de movimiento a reposo después de soltarla () (ignorando la tensión superficial del agua)

A . La fuerza de flotación sigue aumentando, pero es menor que la gravedad.

B． La fuerza de flotación permanece sin cambios, pero la fuerza de flotación es mayor que la gravedad.

C. La fuerza de flotación permanece sin cambios al principio, luego se hace más pequeña, luego se hace más grande, luego se vuelve más pequeña y cambia hacia adelante y hacia atrás hasta que la pelota de ping pong está estacionaria y la fuerza de flotación es igual a la gravedad.

D. La fuerza de flotación es primero mayor que la gravedad y luego menor que la gravedad.

[Análisis] Cuando una pelota de tenis de mesa está completamente sumergida en agua, la fuerza de flotación es mayor que la gravedad, porque la fuerza de flotabilidad no tiene nada que ver con la profundidad del objeto en el líquido. Por lo tanto, la fuerza de flotabilidad sobre la pelota de tenis de mesa cuando se mueve en el agua permanece sin cambios hasta que la pelota emerge del agua y la fuerza de flotabilidad comienza a disminuir. En este momento, debido a que la pelota de tenis de mesa todavía tiene velocidad hacia arriba, lo hará. continúa moviéndose hacia arriba cuando la velocidad es 0, hasta que después de contactar nuevamente con la superficie del agua, la fuerza de flotabilidad aumenta bajo la resistencia del aire y el agua, la energía mecánica de la bola se convierte gradualmente en energía térmica. La energía de la pelota es igual a la energía potencial de la gravedad, la fuerza de flotación es igual a la gravedad y la pelota todavía está en la superficie del agua y parece estar flotando.

[Respuesta]C

[Ejemplo 3] Cuando un bloque cúbico de hierro está a cierta profundidad bajo el agua, la superficie superior del fondo está sujeta a una presión de 15 N y la superficie inferior del fondo está sujeta a a una presión de 20 N En este momento, la fuerza de flotabilidad del hierro sobre el bloque es ________ N; cuando el bloque de hierro se hunde hasta una determinada posición, la presión en la parte inferior superior aumenta a 20 N y la presión en la parte inferior es _______ N.

[Análisis] La fuerza de flotabilidad es causada por la diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del objeto afectado por el líquido. A medida que el objeto se hunde, la presión en cada superficie del fondo aumenta, pero la diferencia de presión permanece sin cambios, es decir,

F flotador = F fondo inferior - F fondo superior = 20N-15N = 5N,

F' fondo inferior = F' fondo superior + F flotador = 20N + 5N = 25N.

[Respuesta]5,25.

Discusión:

La flotabilidad es un reflejo del efecto total del líquido que rodea un objeto ejerciendo presión sobre el objeto desde todas las direcciones. El cubo se utiliza como ejemplo en el libro de texto para facilitar la comprensión y la aceptación. Desde la perspectiva del efecto de descomposición de la fuerza, los objetos de forma irregular también satisfacen la relación de F flotar = F arriba - F abajo.

[Ejemplo 4] Los bloques de madera y los bloques de hielo de igual masa (ρ madera <ρ hielo) flotan en el agua. La fuerza de flotación sobre el bloque de madera _________ la fuerza de flotación sobre el bloque de hielo; sólidos con volúmenes iguales Tanto el bloque de madera como el bloque de hielo flotan en el agua. La fuerza de flotación sobre el bloque de madera _________ la fuerza de flotación sobre el bloque de hielo. (Complete mayor que, menor que o igual a)

[Análisis] Según las condiciones de flotación y hundimiento del objeto, F float = G cuando el objeto flota Por lo tanto, para comparar la fuerza de flotabilidad. En esta pregunta puedes comparar bloques de madera y bloques de hielo. Calcula la magnitud de la fuerza gravitacional ejercida.

Debido a que tanto la madera como el hielo flotan en el agua, F madera flota = G madera, F hielo flota = G hielo

(1) Cuando las masas de madera y hielo Cuando están iguales, se puede ver a partir de G = mg que G madera = G hielo, por lo que F flotador de madera = F hielo La fuerza de flotación del bloque de madera flotante y del bloque de hielo es igual.

(2) Cuando los volúmenes de madera y hielo son iguales, debido a que ρ madera <ρ hielo, según G = ρgV, se puede observar que G madera < G hielo.

Entonces F la madera flota

[Respuesta] La respuesta correcta a esta pregunta es: igual a, menor que.

[Ejemplo 5] Con base en la lectura de la balanza de resorte en la figura, encuentre la fuerza de flotación sobre el objeto A en el líquido. ¿Y responde qué conocimientos has aprendido que se utilizan principalmente en el proceso de búsqueda de flotabilidad?

[Análisis] Se trata de un método experimental para medir la flotabilidad.

La lectura de la balanza de resorte en la Figura (1) es el peso G del objeto en el aire, con un tamaño de 1,3 N la lectura de la balanza de resorte en la Figura (2) es el aparente; peso G del objeto en agua, con un tamaño de 0,5 N, la fuerza de flotación sobre el objeto A es igual a la diferencia entre las dos lecturas de la escala del resorte, F flotador = G objeto - G aparente = 1,3 N - 0,5 N = 0,8 N .

Al responder la pregunta anterior, utilizamos el conocimiento de la síntesis de fuerzas y el equilibrio de fuerzas para analizar la fuerza del objeto A. Como se muestra en la Figura (3), A se ve afectado por la gravedad G, la flotabilidad F y la balanza de resorte La fuerza de tracción F, dado que A está en equilibrio en el agua, entonces hay: F ​​+ F flotador = G objeto, entonces: F flotador = G objeto - F, el tamaño de F es igual al peso aparente de A, entonces: F flotador = G objeto - G Ver

El descubrimiento del Principio de Arquímedes En el año 245 a.C., para celebrar el gran Festival de la Luna, el rey Hernón le dio al orfebre una pieza de oro y le pidió para hacer una corona de oro puro. Aunque la corona terminada era tan pesada como el oro original, el rey sospechó que el orfebre la había adulterado. Ordenó a Arquímedes que determinara si la corona era de oro puro, pero no se le permitió destruirla.

Esto parece imposible. En el baño público, Arquímedes notó que su brazo emergía del agua. Pensamientos vagos pasaron por su mente. Metió completamente el brazo en el agua, relajó todo el cuerpo y luego su brazo volvió a salir del agua.

Cuando se levantó de la tina, el nivel del agua alrededor de la tina bajó; cuando se sentó nuevamente, el nivel del agua en la tina volvió a subir.

Mientras yacía en la bañera, el nivel del agua subió y se sintió más ligero. Cuando se levantó, el nivel del agua bajó y se sintió más pesado. Debe haber sido la flotabilidad ascendente del agua sobre su cuerpo lo que lo hizo sentir más ligero.

Metió piedras y bloques de madera casi del mismo tamaño al mismo tiempo en la tina y los sumergió en el agua. La piedra se hundió en el agua, pero sintió que la madera se volvía más ligera. Tuvo que presionar el bloque para sumergirlo. Esto muestra que la flotabilidad está relacionada con el desplazamiento de un objeto (volumen del objeto) más que con el peso del objeto. Lo pesado que se siente un objeto en el agua debe estar relacionado con la densidad del agua (la masa por unidad de volumen de agua).

Arquímedes encontró aquí una solución al problema del rey. La clave del problema era la densidad. Si la corona contiene otros metales, su densidad será diferente. Si el peso es igual, el volumen de la corona será diferente.

La corona y el mismo peso de oro fueron puestos en agua y se encontró que la corona desplazaba más agua que el oro, lo que indica que la corona estaba adulterada.

Más importante aún, Arquímedes descubrió el principio de flotabilidad, es decir, la fuerza de flotación de un líquido sobre un objeto es igual a la gravedad del líquido desplazado por el objeto.

Malentendidos comunes: un kilogramo de agua y dos kilogramos de madera ¿pueden 1 kg de agua hacer flotar 2 kg de madera?

V en la ley de flotabilidad no se refiere al volumen del líquido en sí, sino que se refiere al volumen de líquido correspondiente al objeto después de que el objeto se sumerge en el líquido, independientemente del volumen del líquido mismo. Por lo tanto, 1 kg de agua puede hacer flotar completamente 2 kg de madera.

Esto se puede confirmar mediante experimentos: busque un vaso redondo, coloque un cilindro de madera con un diámetro ligeramente menor y la madera podrá flotar sin verter más agua que la masa de la madera.