Плаваемост

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Архимедовите сили задържат тази жаба на повърхността на водата

Плаваемост във физиката е способността на различни тела да се задържат на повърхността на даден флуид (течност или газ). Плаваемостта се дължи главно на архимедовата сила, която представлява разлика в налягането между горната и долната повърхност на тялото. Тази сила позволява на предмета да плава на повърхността и да изглежда по-лек. Тя има широко приложение в корабоплаването и въздухоплаването.

Закон на Архимед[редактиране | edit source]

Submerged-and-Displacing.svg
На всяко тяло, потопено в течност (напълно или частично) действа вертикална сила с посока отдолу нагоре и големина, равна на теглото на обема на изместената от него течност. Тази сила се нарича сила на Архимед или Архимедова сила.

Математическата формула за тази сила е:

\vec{F}_a = - \rho \overrightarrow{g} V,

където \ \rho е плътността на течността, \overrightarrow{g}земното ускорение, а \ V — обема на потопеното тяло (или обема на частта от тялото, което е потопено). Архимедовата сила е равна по големина и противоположна по посока на теглото на обема изместена от тялото течност и приложена в центъра на тежестта на този обем.

Трябва да се отбележи, че законът е приложим само ако долната част на тялото е заобиколена от течност и неприложим ако тялото е в контакт с дъното.

Законът на Архимед може да се обясни с помощта на разликата в хидростатичното налягане на различна дълбочина.

\ P_B-P_A = \rho g h
\ F_B-F_A = \rho g h S = \rho g V

където PA, PB са наляганията в точки A и B, ρ — плътността на течността, h — разликата в нивата A и B, S — лицето на напречното сечение, V — обема на тялото.

Условие дадено тяло да се задържа на повърхността на флуида[редактиране | edit source]

Тяло, потопено във вода плава когато силата на Архимед е равна на теглото му

Достатъчното условие едно тяло да се задържи на повърхността на флуида е модулът на Архимедовата сила (Fa) да е по-голям или равен на модула на силата на тежестта на тялото. Силата на тежестта е равна на G = mg = \rho_{m}Vg, където m = ρmV e масата на тялото, V е обема, а g е земното ускорение, равно на 9,8 m/s2. Модулът на архимедовата сила е равен на теглото на изместената течност. Нека предположим, че цялото тяло е потопено, тогава обемът на изместената течност е равен на обема на тялото, т.е. F_a = \rho_{f}Vg, където ρf е плътността на течността или газа, V е обемът на изместения флуид, а g е земното ускорение, т.е.:

\|F_a\| \ge \|G\|

като заместим с изразите за архимедовата сила и силата на тежестта:

\rho_{f}Vg \ge \rho_{m}Vg
\rho_{f} \ge \rho_{m}

От това може да се заключи, че ако плътността на едно тяло, изцяло потопено във вода е по-малка от плътността на водата, архимедовите сили вземат превес и тялото се издига нагоре, докато достигне повърхността.

Корабоплаване или защо плават железните кораби[редактиране | edit source]

Железните кораби имат много голяма маса, но средната им плътност (на стоманената конструкция и на обема въздух, ограден от нея) е по-малка от тази на водата, което позволява на корабите да плават благодарение на архимедовата сила. За да може средната плътност да се намали до необходимото ниво се увеличава обемът, като трябва да се отчете и максималния товар, който кораба може да носи. Поради тази причина железните кораби са толкова обемисти.

Въздухоплаване[редактиране | edit source]

Същият принцип важи и при летенето с балони - за да може балонът да се издига, използвайки архимедовата сила, плътността му трябва да се намали, отново като се увеличи обема, до степен такава, че архимедовата сила да е по-голяма от теглото на балона. По тази причина, балонът се прави от лека материя и се пълни с газ, чиято плътност е по-малка от тази на въздуха. Това може да бъде водород, хелий, топъл въздух и др.

Обикновените балони са неуправляеми, а управляеми са дирижаблите (на френски: dirigeable - управляем).

Ареометри[редактиране | edit source]

Ареометрите са уреди за измерване на плътността на течности. Ареометрите представляват стъклена тръбичка, в чийто долен край са поставени сачми или някаква тежест, така че при потапяне в течността уредът да плава вертикално. В тръбичката има скала с деления, по която се определя плътността на течността.

С ареометрите се контролира състава на течни продукти. Например по плътността на разтвор от спирт във вода може да се съди за количеството спирт във водата. Тези ареометри се наричат спиртомери, а за при млякото - лактомери.

Външни препратки[редактиране | edit source]