Loading...
 

Prawo Pascala i prawo Archimedesa

Rozpatrzmy ciecz w naczyniu zamkniętym tłokiem, na który możemy działać zmiennym ciśnieniem zewnętrznym \( p_{0} \). W każdym punkcie cieczy znajdującym się na głębokości \( h \), ciśnienie jest dane wyrażeniem Ciśnienie i gęstość płynów-( 6 ). Możemy teraz powiększyć ciśnienie zewnętrzne o wartość \( \Delta p_{0} \). Ponieważ ciecze są nieściśliwe więc gęstość pozostaje praktycznie bez zmian i ciśnienie teraz wynosi

(1)
\( {p=p_{{0}}+{\Delta p}_{{0}}+{\rho gh}} \)


Zjawisko to opisuje prawo Pascala, które można następująco sformułować:


Ciśnienie zewnętrzne wywierane na zamknięty płyn jest przekazywane niezmienione na każdą część płynu oraz na ścianki naczynia.


Prawo to jest konsekwencją praw mechaniki płynów, podobnie jak prawo Archimedesa. Kiedy ciało jest zanurzone w całości lub częściowo w spoczywającym płynie to płyn ten wywiera ciśnienie na każdą, będącą z nim w kontakcie, część powierzchni ciała. Wypadkowa siła jest skierowana ku górze i nazywa się siłą wyporu. Gdy przyjmiemy przykładowo, że w cieczy zostało zanurzone ciało w kształcie walca o powierzchni podstawy równej \( S \) (zob. Rys. 1 ) to wypadkowa siła działająca na to ciało jest związana z różnicą ciśnień na głębokościach \( h_{1} \) i \( h_{2} \) odpowiednio nad i pod walcem.

: Walec o powierzchni podstawy {OPENAGHMATHJAX()}S{OPENAGHMATHJAX} zanurzony w płynie
Rysunek 1: Walec o powierzchni podstawy \( S \) zanurzony w płynie


Siła wypadkowa wynosi więc

(2)
\( {F_{{{wyp}}}=(p_{{0}}+{\rho gh}_{{2}})S-(p_{{0}}+{\rho gh}_{{1}})S={\rho gV}} \)


gdzie \( {V=S(h_{{2}}-h_{{1}})} \) jest objętością walca. Z otrzymanej zależności wynika, że siła działająca na walec jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez ten walec. Zauważmy, że ta siła nie zależy od kształtu ciała, a tylko od jego objętości.

Możemy więc sformułować prawo Archimedesa:


Ciało w całości lub częściowo zanurzone w płynie jest wypierane ku górze siłą równą ciężarowi wypartego przez to ciało płynu.

(3)
\( {F_{{{wyporu}}}=m_{{p}}g=\rho {gV}} \)


gdzie \( m_{p} \) jest masą płynu, a \( \rho \) jego gęstością. Natomiast \( V \) jest objętością części zanurzonej ciała.

Na każde zanurzone w płynie ciało działają siła wyporu i siła ciężkości. Dla ciała o masie \( m \) i objętości \( V \) całkowicie zanurzonego w płynie wypadkowa tych dwóch sił wynosi

(4)
\( {F=F_{{{wyporu}}}-{mg}=\rho {gV}-\rho_{{1}}{gV}={gV}(\rho-\rho _{{1}})} \)


gdzie \( \rho \) jest gęstością płynu, a \( \rho_{1} \) średnią gęstością ciała. Widzimy, że zwrot siły wypadkowej zależy od różnicy gęstości płynu i ciała. Na przykład ciało zanurzone w cieczy o gęstości \( \rho < \rho _{1} \) tonie, a dla gęstości \( \rho > \rho_{1} \) pływa częściowo zanurzone.

Treść zadania:

Korzystając z prawa Archimedesa, oblicz jak duży ciężar można przeprawić przez rzekę za pomocą tratwy zbudowanej z 10 okrągłych kłód drewnianych o średnicy 20 cm i długości 3 m każda. Gęstość drewna przyjąć równą 750 kg/m \( ^{3} \), a gęstość wody 1000 kg/m \( ^{3} \).

Symulacja 1: Balony i siła wyporu

Pobierz symulację

Program ilustruje doświadczenia z balonem wypełnionym helem, z balonem wypełnionym ciepłym powietrzem oraz z nieelastyczną sferą wypełnioną różnymi gazami.

Autor: PhET Interactive Simulations University of Colorado(external link)

Licencja: Creative Commons Attribution 3.0 United States(external link)

Symulacja 2: Siła wyporu

Pobierz symulację

Sprawdź kiedy przedmioty pływają, a kiedy toną.

Autor: PhET Interactive Simulations University of Colorado(external link)

Licencja: Creative Commons GNU General Public License(external link)


Ostatnio zmieniona Środa 08 z Lipiec, 2015 14:03:50 UTC Autor: Zbigniew Kąkol, Bartek Wiendlocha
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.