(Forțele care acționează în flotabilitate. Rețineți că obiectul plutește deoarece forța ascendentă a flotabilității este egală cu forța descendentă a gravitației.)
În fizică, flotabilitatea este o forță ascendentă exercitată de un fluid care se opune greutății unui obiect imersat. Într-o coloană de lichid, presiunea crește cu adâncimea ca urmare a greutății fluidului de deasupra. Astfel, presiunea la fundul unei coloane de fluid este mai mare decât în partea superioară a coloanei. În mod similar, presiunea la baza unui obiect scufundat într-un fluid este mai mare decât în partea superioară a obiectului. Această diferență de presiune are ca rezultat o forță netă în sus a obiectului. Mărimea forței exercitate este proporțională cu diferența de presiune, și (așa cum este explicată prin principiul lui Archimedes) este echivalentă cu greutatea fluidului care altfel ar ocupa volumul obiectului, adică fluidul deplasat.
Din acest motiv, un obiect a cărui densitate este mai mare decât cea a fluidului în care este scufundat tinde să se scufunde. Dacă obiectul este fie mai puțin dens decât lichidul, fie este modelat corespunzător (ca într-o barcă), forța poate menține obiectul pe linia de plutire. Acest lucru poate să apară numai într-un cadru de referință neinerțial, care are fie un câmp gravitațional, fie accelerează datorită unei alte forțe decât gravitația definind o direcție „în jos”. Într-o situație statică a fluidului, forța de flotabilitate ascendentă netă este egală cu mărimea greutății fluidului deplasat de corp.
Centrul de flotabilitate al unui obiect este centroidul volumului deplasat al fluidului.
Principiul lui Arhimede
(Experimentul lui Galileo, arătând flotabilitatea diferită a aceluiași obiect, în funcție de mediul înconjurător. Bila are o anumită flotabilitate în apă, dar, odată ce se adaugă etanol (care este mai puțin dens decât apa), reduce densitatea mediului, făcând astfel bila să se scufunde (reducând flotabilitatea): https://www.youtube.com/watch?v=lb8OMDUptis)
Principiul lui Arhimede este numit după Arhimede din Siracuza, care a descoperit pentru prima dată această lege în 212 î.e.n. Pentru obiectele plutitoare și scufundate în gaze sau lichide (adică un fluid), principiul lui Arhimede poate fi declarat astfel în termeni de forțe:
Orice obiect, în întregime sau parțial scufundat într-un fluid, este împins de jos în sus de o forță egală cu greutatea fluidului înlocuit de obiect.
– cu clarificările că pentru un obiect scufundat volumul fluidului deplasat este volumul obiectului, iar pentru un obiect plutitor pe un lichid, greutatea lichidului deplasată este greutatea obiectului.
Mai mult decât atât: Flotația = greutatea fluidului înlocuit.
Principiul lui Arhimede neglijează tensiunea superioară (capilaritatea) care acționează asupra corpului, dar această forță suplimentară modifică numai cantitatea de lichid deplasată și distribuția spațială a deplasării, astfel încât principiul că Flotația = greutatea fluidului înlocuit rămâne validă.
Greutatea fluidului înlocuit este direct proporțională cu volumul fluidului înlocuit (dacă lichidul înconjurător are o densitate uniformă). În termeni simpli, principiul afirmă că forța de flotabilitatea unui obiect este egală cu greutatea fluidului înlocuit de obiect sau cu densitatea fluidului înmulțită cu volumul scufundat ori accelerația gravitațională, g. Astfel, printre obiectele complet scufundate cu mase egale, obiectele cu volum mai mare au o flotabilitate mai mare. Acest lucru este, de asemenea, cunoscut sub numele de ascensiune.
Să presupunem că greutatea unei pietre este măsurată ca 10 newtoni atunci când este suspendată de o coardă în vid cu gravitația acționând asupra ei. Să presupunem că atunci când piatra este coborâtă în apă, ea deplasează o apă cu greutatea de 3 newtoni. Forța pe care o exercită apoi pe coarda de care atârnă ar fi 10 newtoni minus cei 3 newtoni ai forței de flotabilitate: 10-3 = 7 newtoni. Flotabilitatea reduce greutatea aparentă a obiectelor care s-au scufundat complet la nivelul mării. În general, este mai ușor să deplasați un obiect prin apă decât să-l scoateți din apă.
Presupunând că principiul lui Arhimede este reformulat după cum urmează,
(greutatea aparentă scufundată) = (greutatea) – (greutatea fluidului deplasat)
atunci rezultă
(densitatea/(densității fluidului) = (greutatea)/(greutatea fluidului înlocuit),
rezultând formula de mai jos. Densitatea obiectului scufundat în raport cu densitatea fluidului poate fi calculată cu ușurință fără a măsura volumele:
(densitatea obiectului)/(densitatea fluidului) = (greutatea)/(greutate – greutatea aparentă scufundată)
(Această formulă este utilizată, de exemplu, în descrierea principiului de măsurare a unui dozimetru și a cântăririi hidrostatice).
Exemplu: Dacă dați drumul la un lemn în apă, flotabilitatea îl va menține pe linia de plutire.
Exemplu: Un balon de heliu într-o mașină în mișcare. În timpul perioadei de creștere a vitezei, masa de aer din interiorul mașinii se deplasează în direcția opusă accelerației automobilului (adică spre spate). Balonul este de asemenea tras în acea direcție. Cu toate acestea, deoarece balonul are flotabilitate în raport cu aerul, acesta ajunge să fie împins „în afara drumului” și, de fapt, se va deplasa în aceeași direcție cu accelerația mașinii (adică înainte). Dacă mașina încetinește, același balon va începe să se deplaseze înapoi. Din același motiv, pe măsură ce mașina ia o curbă, balonul se va deplasa spre interiorul curbei.
Lasă un răspuns