Arhimedova sila koja djeluje na tijelo. Sila uzgona

Često su znanstvena otkrića rezultat puke slučajnosti. Ali samo ljudi s uvježbanim umom mogu cijeniti važnost jednostavne slučajnosti i iz nje izvući dalekosežne zaključke. Zahvaljujući nizu slučajnih događaja u fizici se pojavio Arhimedov zakon koji objašnjava ponašanje tijela u vodi.

Tradicija

U Sirakuzi je Arhimed bio legendaran. Jednom je vladar ovog slavnog grada sumnjao u poštenje svog draguljara. Kruna, izrađena za vladara, morala je sadržavati određenu količinu zlata. Provjerite ovu činjenicu uputio je Arhimed.

Arhimed je utvrdio da tijela u zraku i u vodi imaju različite težine, a razlika je upravno proporcionalna gustoći mjerenog tijela. Mjerenjem težine krune u zraku i vodi, te izvođenjem sličnog pokusa s cijelim komadom zlata, Arhimed je dokazao da u izrađenoj kruni postoji primjesa lakšeg metala.

Prema legendi, Arhimed je ovo otkriće došao u kadi, promatrajući prskanje vode. Što se dalje dogodilo s nepoštenim draguljarom, povijest šuti, ali zaključak sirakuškog znanstvenika bio je temelj jednog od najvažnijih zakona fizike, koji nam je poznat kao Arhimedov zakon.

Izbor riječi

Arhimed je iznio rezultate svojih eksperimenata u djelu "O lebdećim tijelima", koje je, nažalost, do danas preživjelo samo u obliku fragmenata. Moderna fizika opisuje Arhimedov zakon kao ukupnu silu koja djeluje na tijelo uronjeno u tekućinu. Sila uzgona tijela u tekućini usmjerena je prema gore; njegova apsolutna vrijednost jednaka je težini istisnute tekućine.

Djelovanje tekućina i plinova na uronjeno tijelo

Svaki predmet uronjen u tekućinu doživljava sile pritiska. U svakoj točki na površini tijela te su sile usmjerene okomito na površinu tijela. Da su isti, tijelo bi doživjelo samo kompresiju. Ali sile pritiska rastu proporcionalno dubini, tako da donja površina tijela doživljava veću kompresiju od gornje. Možete razmotriti i zbrojiti sve sile koje djeluju na tijelo u vodi. Konačni vektor njihovog smjera bit će usmjeren prema gore, tijelo se gura iz tekućine. Veličinu tih sila određuje Arhimedov zakon. Navigacija tijela u potpunosti se temelji na ovom zakonu i na raznim posljedicama iz njega. Arhimedove sile djeluju i u plinovima. Upravo zahvaljujući tim silama uzgona zračni brodovi i baloni lete nebom: zahvaljujući istiskivanju zraka postaju lakši od zraka.

Fizička formula

Vizualno se Arhimedova moć može pokazati jednostavnim vaganjem. Prilikom vaganja utega za vježbanje u vakuumu, na zraku iu vodi, može se vidjeti da se njegova težina značajno mijenja. U vakuumu je težina težine jedna, u zraku - malo niža, au vodi - još niža.

Ako uzmemo težinu tijela u vakuumu kao P o, tada se njegova težina u zraku može opisati sljedećom formulom: P in \u003d P o - F a;

ovdje P o - težina u vakuumu;

Kao što se može vidjeti sa slike, sve radnje s vaganjem u vodi značajno olakšavaju tijelo, stoga se u takvim slučajevima mora uzeti u obzir Arhimedova sila.

Za zrak je ta razlika zanemariva, pa se obično težina tijela uronjenog u zrak opisuje standardnom formulom.

Gustoća medija i Arhimedova sila

Analizirajući najjednostavnije pokuse s težinom tijela u različitim medijima, može se doći do zaključka da težina tijela u različitim medijima ovisi o masi predmeta i gustoći imerzijskog medija. Štoviše, što je medij gušći, veća je Arhimedova snaga. Arhimedov zakon povezao je ovaj odnos i gustoća tekućine ili plina odražava se u njegovoj konačnoj formuli. Što još utječe na ovu moć? Drugim riječima, o kojim karakteristikama ovisi Arhimedov zakon?

Formula

Arhimedova sila i sile koje na nju utječu mogu se odrediti jednostavnim logičkim zaključivanjem. Pretpostavimo da se tijelo određenog volumena, uronjeno u tekućinu, sastoji od iste tekućine u koju je uronjeno. Ova pretpostavka nije u suprotnosti s drugim pretpostavkama. Uostalom, sile koje djeluju na tijelo ni na koji način ne ovise o gustoći ovog tijela. U tom će slučaju tijelo najvjerojatnije biti u ravnoteži, a sila uzgona kompenzirat će se gravitacijom.

Stoga ćemo ravnotežu tijela u vodi opisati na sljedeći način.

Ali sila teže, iz uvjeta, jednaka je težini tekućine koju istiskuje: masa tekućine jednaka je umnošku gustoće i volumena. Zamjenom poznatih vrijednosti možete saznati težinu tijela u tekućini. Ovaj parametar je opisan kao ρV * g.

Zamjenom poznatih vrijednosti dobivamo:

Ovo je Arhimedov zakon.

Formula koju smo izveli opisuje gustoću kao gustoću tijela koje se proučava. Ali u početnim uvjetima je naznačeno da je gustoća tijela identična gustoći okolne tekućine. Dakle, u ovoj formuli možete sigurno zamijeniti vrijednost gustoće tekućine. Vizualno zapažanje, prema kojem je sila uzgona veća u gušćem mediju, dobilo je teoretsko opravdanje.

Primjena Arhimedovog zakona

Prvi eksperimenti koji pokazuju Arhimedov zakon poznati su još iz školskih dana. Metalna ploča tone u vodi, ali, presavijena u obliku kutije, ne samo da može ostati na površini, već i nositi određeni teret. Ovo pravilo je najvažniji zaključak Arhimedovog pravila, ono određuje mogućnost gradnje riječnih i morskih plovila, uzimajući u obzir njihov maksimalni kapacitet (deplasman). Uostalom, gustoća morske i slatke vode je različita, a brodovi i podmornice moraju uzeti u obzir razlike u ovom parametru prilikom ulaska u riječna ušća. Pogrešan izračun može dovesti do katastrofe - brod će se nasukati i bit će potrebni značajni napori da se podigne.

Arhimedov zakon je također neophodan za podmorničare. Činjenica je da gustoća morske vode mijenja svoju vrijednost ovisno o dubini uranjanja. Točan izračun gustoće omogućit će roniocima da pravilno izračunaju tlak zraka unutar odijela, što će utjecati na manevarske sposobnosti ronioca i osigurati njegovo sigurno ronjenje i izron. Arhimedovo načelo također se mora uzeti u obzir kod dubinskih bušenja, ogromne bušaće platforme gube i do 50% svoje težine, što čini njihov transport i rad jeftinijim.

Tekućine i plinovi, prema kojima na bilo koje tijelo uronjeno u tekućinu (ili plin) iz te tekućine (ili plina) djeluje sila uzgona, jednaka težini tekućine (plina) istisnute tijelom i usmjerena okomito prema gore. .

Ovaj zakon otkrio je starogrčki znanstvenik Arhimed u III stoljeću. PRIJE KRISTA e. Arhimed je svoja istraživanja opisao u raspravi O lebdećim tijelima, koja se smatra jednim od njegovih posljednjih znanstvenih radova.

Slijede nalazi iz Arhimedov zakon.

Djelovanje tekućine i plina na tijelo uronjeno u njih.

Ako lopticu napunjenu zrakom uronite u vodu i pustite je, ona će plutati. Isto će se dogoditi s drvenim ivericama, plutom i mnogim drugim tijelima. Koja ih sila tjera da lebde?

Tijelo uronjeno u vodu izloženo je pritisku vode sa svih strana (sl. a). U svakoj točki tijela te su sile usmjerene okomito na njegovu površinu. Kad bi sve te sile bile iste, tijelo bi doživjelo samo svestrano sabijanje. Ali na različitim dubinama, hidrostatski tlak je različit: raste s povećanjem dubine. Stoga se sile pritiska koje djeluju na donje dijelove tijela pokazuju veće od sila pritiska koje djeluju na tijelo odozgo.

Ako sve sile pritiska koje djeluju na tijelo uronjeno u vodu zamijenimo jednom (rezultantnom ili rezultantnom) silom koja na tijelo djeluje jednako kao sve te pojedinačne sile zajedno, tada će rezultantna sila biti usmjerena prema gore. To je ono što tjera tijelo da lebdi. Ta se sila naziva sila uzgona ili Arhimedova sila (prema Arhimedu koji je prvi ukazao na njezino postojanje i utvrdio o čemu ovisi). Na slici b označeno je kao F A.

Arhimedova (uzgonska) sila djeluje na tijelo ne samo u vodi, već iu bilo kojoj drugoj tekućini, jer u svakoj tekućini postoji hidrostatski tlak, koji je različit na različitim dubinama. Ta sila djeluje i u plinovima, zahvaljujući kojima lete baloni i zračni brodovi.

Zbog sile uzgona težina svakog tijela u vodi (ili u bilo kojoj drugoj tekućini) manja je nego u zraku, a manja je u zraku nego u bezzračnom prostoru. Lako se u to uvjeriti izvaganjem utega uz pomoć dinamometra s oprugom za vježbanje, najprije u zraku, a potom spuštanjem u posudu s vodom.

Do smanjenja težine dolazi i kada se tijelo prebaci iz vakuuma u zrak (ili neki drugi plin).

Ako je težina tijela u vakuumu (npr. u posudi iz koje se ispumpava zrak) jednaka P0, tada je njegova težina u zraku:

gdje F´ A je Arhimedova sila koja djeluje na određeno tijelo u zraku. Za većinu tijela ova sila je zanemariva i može se zanemariti, tj. možemo pretpostaviti da Par =P0=mg.

Težina tijela u tekućini se znatno više smanjuje nego u zraku. Ako je težina tijela u zraku Par =P 0, tada je težina tijela u tekućini P tekućina \u003d P 0 - F A. Ovdje F A je Arhimedova sila koja djeluje u tekućini. Otuda slijedi da

Stoga, da bismo pronašli Arhimedovu silu koja djeluje na tijelo u bilo kojoj tekućini, to tijelo moramo izvagati u zraku iu tekućini. Razlika između dobivenih vrijednosti bit će Arhimedova (uzgonska) sila.

Drugim riječima, uzimajući u obzir formulu (1.32), možemo reći:

Sila uzgona koja djeluje na tijelo uronjeno u tekućinu jednaka je težini tekućine koju je to tijelo istisnulo.

Arhimedova sila može se odrediti i teorijski. Da bismo to učinili, pretpostavimo da se tijelo uronjeno u tekućinu sastoji od iste tekućine u koju je uronjeno. Imamo pravo to pretpostaviti, budući da sile pritiska koje djeluju na tijelo uronjeno u tekućinu ne ovise o tvari od koje je ono napravljeno. Tada je na takvo tijelo djelovala Arhimedova sila F A bit će uravnotežena silom gravitacije usmjerenom prema dolje mig(gdje m ž je masa tekućine u volumenu danog tijela):

Ali sila gravitacije jednaka je težini istisnute tekućine R f. Na ovaj način.

S obzirom da je masa tekućine jednaka umnošku njezine gustoće ρ w na volumen, formula (1.33) može se napisati kao:

gdje Vi je volumen istisnute tekućine. Taj volumen jednak je volumenu onog dijela tijela koji je uronjen u tekućinu. Ako je tijelo potpuno uronjeno u tekućinu, tada se podudara s volumenom V cijelog tijela; ako je tijelo djelomično uronjeno u tekućinu, tada volumen Vi volumen istisnute tekućine V tijela (sl. 1.39).

Formula (1.33) vrijedi i za Arhimedovu silu koja djeluje u plinu. Samo u ovom slučaju potrebno je zamijeniti gustoću plina i volumen istisnutog plina, a ne tekućine.

S obzirom na prethodno navedeno, Arhimedov zakon se može formulirati na sljedeći način:

Na svako tijelo uronjeno u tekućinu (ili plin) u mirovanju djeluje uzgonska sila te tekućine (ili plina), jednaka umnošku gustoće tekućine (ili plina), ubrzanja slobodnog pada i volumena tog dio tijela koji je uronjen u tekućinu (ili plin).

Sila uzgona koja djeluje na tijelo uronjeno u tekućinu jednaka je težini tekućine koju je istisnula.

"Eureka!" ("Pronađen!") - ovaj je uzvik, prema legendi, izdao starogrčki znanstvenik i filozof Arhimed, otkrivši princip pomaka. Legenda kaže da je sirakuški kralj Heron II zamolio mislioca da utvrdi je li njegova kruna od čistog zlata, a da pritom ne ošteti samu kraljevsku krunu. Arhimedu nije bilo teško izvagati krunu, ali to nije bilo dovoljno - bilo je potrebno odrediti volumen krune kako bi se izračunala gustoća metala od kojeg je izlivena, te utvrdilo radi li se o čistom zlatu .

Nadalje, prema legendi, Arhimed, zaokupljen mislima o tome kako odrediti volumen krune, uronio je u kadu - i iznenada primijetio da je razina vode u kadi porasla. A onda je znanstvenik shvatio da je volumen njegovog tijela istisnuo jednak volumen vode, stoga će kruna, ako se spusti u bazen napunjen do vrha, istisnuti iz njega volumen vode jednak njegovom volumenu. Rješenje problema je pronađeno i, prema najčešćoj verziji legende, znanstvenik je otrčao prijaviti svoju pobjedu u kraljevsku palaču, a da se nije ni potrudio odjenuti.

Međutim, što je istina, istina je: otkrio je Arhimed princip uzgona. Ako je čvrsto tijelo uronjeno u tekućinu, ono će istisnuti volumen tekućine jednak volumenu dijela tijela uronjenog u tekućinu. Tlak koji je prije djelovao na istisnutu tekućinu sada će djelovati na krutinu koja ju je istisnula. I, ako je sila uzgona koja djeluje okomito prema gore veća od gravitacije koja vuče tijelo okomito prema dolje, tijelo će lebdjeti; inače će otići na dno (utopiti se). Suvremenim rječnikom rečeno, tijelo pluta ako mu je prosječna gustoća manja od gustoće tekućine u koju je uronjeno.

Arhimedov zakon može se tumačiti u smislu molekularne kinetičke teorije. U tekućini koja miruje, tlak nastaje udarima molekula koje se kreću. Kada čvrsto tijelo istisne određeni volumen tekućine, uzlazni zamah molekularnih udara neće pasti na molekule tekućine koje je tijelo istisnulo, već na samo tijelo, što objašnjava pritisak koji se na njega vrši odozdo i gura ga prema površine tekućine. Ako je tijelo potpuno uronjeno u tekućinu, na njega će i dalje djelovati sila uzgona, jer tlak raste s povećanjem dubine, a donji dio tijela je izložen većem pritisku od gornjeg, iz čega proizlazi sila uzgona. . Ovo je objašnjenje sile uzgona na molekularnoj razini.

Ovaj obrazac uzgona objašnjava zašto brod napravljen od čelika, koji je mnogo gušći od vode, ostaje na površini. Činjenica je da je volumen vode koji je istisnuo brod jednak volumenu čelika uronjenog u vodu plus volumen zraka koji se nalazi unutar trupa broda ispod vodene linije. Ako uprosječimo gustoću oplate trupa i zraka u njemu, ispada da je gustoća broda (kao fizičkog tijela) manja od gustoće vode, pa sila uzgona koja na njega djeluje kao rezultat impulsa prema gore pri udaru molekula vode pokazuje se većim od gravitacijske sile privlačenja Zemlje, povlačeći brod prema dnu, i brod plovi.

Sila uzgona koja djeluje na tijelo uronjeno u tekućinu jednaka je težini tekućine koju je istisnula.

Međutim, što je istina, istina je: Arhimed je otkrio princip uzgona. Ako je čvrsto tijelo uronjeno u tekućinu, ono će istisnuti volumen tekućine jednak volumenu dijela tijela uronjenog u tekućinu. Tlak koji je prije djelovao na istisnutu tekućinu sada će djelovati na krutinu koja ju je istisnula. I, ako je sila uzgona koja djeluje okomito prema gore veća od gravitacije koja vuče tijelo okomito prema dolje, tijelo će lebdjeti; inače će otići na dno (utopiti se). Suvremenim rječnikom rečeno, tijelo pluta ako mu je prosječna gustoća manja od gustoće tekućine u koju je uronjeno.

Činjenica da određena sila djeluje na tijelo uronjeno u vodu svima je dobro poznato: teška tijela kao da postaju lakša - na primjer, naše vlastito tijelo kad se uroni u kadu. Plivajući u rijeci ili moru, možete lako podizati i pomicati vrlo teško kamenje po dnu - takvo da ne možemo podići na kopnu; isti se fenomen opaža kada se iz nekog razloga kit izbaci na obalu - životinja se ne može kretati izvan vodenog okoliša - njezina težina premašuje mogućnosti njezina mišićnog sustava. Pritom se laka tijela opiru uranjanju u vodu: potrebna je i snaga i spretnost da se potopi lopta veličine male lubenice; najvjerojatnije neće biti moguće uroniti loptu promjera pola metra. Intuitivno je jasno da je odgovor na pitanje zašto jedno tijelo pluta (a drugo tone) usko povezan s djelovanjem tekućine na tijelo uronjeno u nju; ne može se zadovoljiti odgovorom da laka tijela lebde, a teška tijela tonu: čelična ploča će, naravno, potonuti u vodi, ali ako se od nje napravi kutija, onda može plutati; dok joj se težina nije promijenila. Da bismo razumjeli prirodu sile koja djeluje na uronjeno tijelo iz tekućine, dovoljno je razmotriti jednostavan primjer (slika 1).

Kocka s bridom a uronjena je u vodu, a voda i kocka miruju. Poznato je da tlak u teškoj tekućini raste proporcionalno dubini - očito je da viši stup tekućine jače pritišće podlogu. Puno je manje očito (ili uopće nije očito) da taj pritisak ne djeluje samo prema dolje, već i sa strane, te prema gore istim intenzitetom - to je Pascalov zakon.

Ako uzmemo u obzir sile koje djeluju na kocku (slika 1), tada su, zbog očite simetrije, sile koje djeluju na suprotnim bočnim plohama jednake i suprotno usmjerene – one nastoje sabiti kocku, ali ne mogu utjecati na njezinu ravnotežu ili kretanje . Postoje sile koje djeluju na gornju i donju plohu. Neka - dubina uranjanja gornje strane, - gustoća tekućine, - ubrzanje sile teže; tada je pritisak na vrhu

I na dnu

Sila pritiska jednaka je pritisku pomnoženom površinom, tj.

,
,

gdje je rub kocke, a sila je usmjerena prema dolje, a sila je usmjerena prema gore. Dakle, djelovanje tekućine na kocku svedeno je na dvije sile - i i određeno je njihovom razlikom, a to je sila uzgona:
Sila je uzgon, jer se donja strana, naravno, nalazi ispod gornje i sila prema gore je veća od sile prema dolje. Vrijednost je jednaka volumenu tijela (kocke), pomnoženom s težinom jednog kubnog centimetra tekućine (ako kao jedinicu duljine uzmemo 1 cm). Drugim riječima, sila uzgona, koja se često naziva i Arhimedova sila, jednaka je težini tekućine u volumenu tijela i usmjerena je prema gore. Taj je zakon ustanovio starogrčki znanstvenik Arhimed, jedan od najvećih znanstvenika na Zemlji.

Ako tijelo proizvoljnog oblika (slika 2) zauzima volumen unutar tekućine, tada je djelovanje tekućine na tijelo potpuno određeno tlakom raspoređenim po površini tijela, a napominjemo da je taj tlak potpuno neovisan. materijala tijela - (“tekućinama je svejedno što će pritisnuti” ).

Da biste odredili rezultujuću silu pritiska na površinu tijela, morate mentalno ukloniti dano tijelo iz volumena V i ispuniti (mentalno) ovaj volumen istom tekućinom. S jedne strane, postoji posuda s tekućinom u mirovanju, s druge strane, unutar volumena - tijelo koje se sastoji od dane tekućine, a to tijelo je u ravnoteži pod djelovanjem vlastite težine (teška tekućina) a tlak tekućine na površinu volumena. Kako je težina tekućine u volumenu tijela jednaka i uravnotežena rezultantom sila pritiska, onda je njezina vrijednost jednaka težini tekućine u volumenu, tj. .

Nakon što smo u mislima napravili obrnutu zamjenu - smjestili ovo tijelo u volumen i primijetili da ova zamjena neće ni na koji način utjecati na raspodjelu sila pritiska na površini volumena, možemo zaključiti: sila prema gore (Arhimedova sila) jednaka je težina tekućine djeluje na tijelo uronjeno u tešku tekućinu koje miruje unutar tijela.

Slično se može pokazati da ako je tijelo djelomično uronjeno u tekućinu, tada je Arhimedova sila jednaka težini tekućine u volumenu uronjenog dijela tijela. Ako je u tom slučaju Arhimedova sila jednaka težini, tada tijelo pluta na površini tekućine. Očito, ako je pri potpunom uronjenju Arhimedova sila manja od težine tijela, ono će potonuti. Arhimed je uveo pojam "specifične težine", tj. težina jedinice volumena tvari: ; ako to prihvatimo za vodu, onda čvrsto tijelo materije, u kojem će ona potonuti, a kada će plutati na površini; kada tijelo može plutati (visiti) unutar tekućine. Zaključno, napominjemo da Arhimedov zakon opisuje ponašanje balona u zraku (miruju pri malim brzinama).

Arhimedov zakon može se tumačiti sa stajališta molekularne kinetičke teorije. U tekućini koja miruje, tlak nastaje udarima molekula koje se kreću. Kada čvrsto tijelo istisne određeni volumen tekućine, uzlazni zamah molekularnih udara neće pasti na molekule tekućine koje je tijelo istisnulo, već na samo tijelo, što objašnjava pritisak koji se na njega vrši odozdo i gura ga prema površine tekućine. Ako je tijelo potpuno uronjeno u tekućinu, na njega će i dalje djelovati sila uzgona, jer tlak raste s povećanjem dubine, a donji dio tijela je izložen većem pritisku od gornjeg, iz čega proizlazi sila uzgona. . Ovo je objašnjenje sile uzgona na molekularnoj razini.

Arhimed iz Sirakuze / Arhimed iz Sirakuze, c. 287–212 prije Krista e.

Starogrčki matematičar, izumitelj i prirodni filozof. O njegovom životu malo se zna. Dokazao je niz temeljnih matematičkih teorema, postao poznat zahvaljujući izumu raznih mehanizama, koji se još uvijek široko koriste u svakodnevnom životu iu obrambenoj industriji. Legenda kaže da je Arhimed umro nasilnom smrću, pavši od ruke rimskog vojnika tijekom opsade Sirakuze, ne želeći se skloniti u kuću, jer je bio potpuno zaokupljen geometrijskim zadatkom koji je nacrtao na obalnom pijesku.

Komentari: 1

Nikolaj Gorkavi

Počelo je činjenicom da je kralj Hieron II pozvao Arhimeda u svoju palaču, natočio mu najbolje vino, pitao ga za zdravlje, a zatim mu pokazao zlatnu krunu koju je za vladara izradio dvorski draguljar. "Ne razumijem se u nakit, ali razumijem ljude", rekao je Hieron. - I ja mislim da me draguljar vara. Kralj je uzeo polugu zlata sa stola. - Dao sam mu potpuno isti ingot, a on je od njega napravio krunu. Težina krune i ingota je ista, moj sluga je to provjerio. Ali ne sumnjam je li srebro umiješano u krunu? Ti si, Arhimede, najveći znanstvenik Sirakuze i molim te da to provjeriš, jer ako kralj stavi lažnu krunu, čak će mu se i momci s ulice smijati...

Kretanje fizičkog tijela u jednoj dimenziji ne ovisi o njegovom kretanju u druge dvije dimenzije. Na primjer, staza leta topovske kugle kombinacija je dviju neovisnih trajektorija gibanja: jednolikog horizontalnog gibanja s brzinom koja se daje topovskoj kugli i jednoliko ubrzanog okomitog gibanja pod utjecajem gravitacije.

Možda ste iskusili čudne fizičke osjećaje u brzim dizalima: kada se dizalo kreće prema gore (ili usporava kada se kreće prema dolje), pritisnuti ste na pod i osjećate se kao da ste na trenutak teški; a u trenutku kočenja pri kretanju prema gore (ili pokretanja pri kretanju prema dolje), pod dizala doslovno odlazi ispod vaših nogu. I sami, možda i nesvjesni toga, doživljavate djelovanje principa ekvivalencije inercijalnih i gravitacijskih masa. Kada se dizalo pomiče prema gore, pomiče se ubrzanjem koje se dodaje ubrzanju zbog gravitacije u neinercijalnom (ubrzanom) referentnom okviru povezanom s dizalom, a vaša se težina povećava. No, čim dizalo postigne "brzinu krstarenja", počinje se ravnomjerno kretati, "dobitak" na težini nestaje, a vaša se težina vraća na uobičajenu vrijednost. Dakle, ubrzanje proizvodi isti učinak kao i gravitacija.

U klasičnoj Newtonovoj mehanici svaka sila je samo privlačna ili odbojna sila koja uzrokuje promjenu prirode gibanja fizičkog tijela. U modernim kvantnim teorijama, međutim, pojam sile (koja se sada tumači kao međudjelovanje između elementarnih čestica) tumači se nešto drugačije. Međudjelovanje sila sada se smatra rezultatom razmjene čestica nositelja međudjelovanja između dviju čestica koje međusobno djeluju. S ovim pristupom, elektromagnetska interakcija između, na primjer, dva elektrona je posljedica izmjene fotona između njih, a slično tome, izmjena drugih čestica posrednika dovodi do pojave tri druge vrste interakcija.

Newtonovi zakoni - ovisno kako ih gledate - predstavljaju ili kraj početka ili početak kraja klasične mehanike. U svakom slučaju, riječ je o prekretnici u povijesti fizikalne znanosti – briljantnoj kompilaciji svih do tog povijesnog trenutka nakupljenog znanja o gibanju fizičkih tijela u okviru fizičke teorije, koja se danas obično naziva klasičnom mehanikom. Može se reći da je povijest moderne fizike i prirodnih znanosti uopće krenula od Newtonovih zakona gibanja.

Jednom kad se počne kretati, tijelo se nastoji nastaviti kretati. Prvi Newtonov zakon mehanike kaže: ako se tijelo giba, tada će se u nedostatku vanjskih utjecaja nastaviti kretati pravocrtno i jednoliko sve dok ne bude podvrgnuto vanjskoj sili. Taj se trend naziva linearni zamah. Slično, tijelo koje rotira oko svoje osi, u nedostatku sila koje koče rotaciju, nastavit će se okretati, budući da rotirajuće tijelo ima određenu količinu gibanja, izraženu u obliku kutne količine gibanja ili, ukratko, kutne impuls ili moment rotacije.

Standardnim modelom danas se naziva teorija koja najbolje odražava naše razumijevanje izvornog materijala od kojeg je svemir izvorno izgrađen. Također opisuje točno kako se materija formira od ovih osnovnih komponenti, te sile i mehanizme međudjelovanja među njima.

Galileo Galilei jedan je od ljudi koji su postali poznati uopće ne zbog onoga što bi trebali uživati u zasluženoj slavi. Svi se sjećaju kako je ovog talijanskog prirodoslovca na kraju života inkvizicija sudila pod sumnjom za krivovjerje i prisilila ga da se odrekne vjerovanja da se Zemlja okreće oko Sunca. Zapravo, ova tužba nije imala praktički nikakvog utjecaja na razvoj znanosti - za razliku od pokusa koje je prethodno radio Galileo i zaključaka koje je na temelju tih pokusa donosio, što je zapravo predodredilo daljnji razvoj mehanike kao dijela fizičke znanosti. .

Magnetsko polje u nekoj točki prostora, stvoreno malim segmentom vodiča kroz koji teče električna struja, proporcionalno je jakosti struje, obrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti od te točke do vodiča i usmjerena okomito i na struju i na smjer prema vodiču.

U rotirajućem referentnom okviru promatrač doživljava djelovanje sile koja ga udaljava od osi rotacije. Vjerojatno ste doživjeli nelagodu kada je automobil u kojem se vozite ušao u oštri zavoj. Činilo se da ćete sada biti bačeni na rub ceste. A ako se sjetite zakona Newtonove mehanike, ispada da, budući da ste bili doslovno pritisnuti u vrata, tada je određena sila djelovala na vas. Obično se naziva "centrifugalna sila". Upravo zbog centrifugalne sile oduzima dah na oštrim zavojima, kada vas ta sila pritisne uz bok automobila. (Inače, ovaj pojam, koji dolazi od latinskih riječi centrum (“središte”) i fugus (“trčanje”), u znanstvenu je upotrebu uveo Isaac Newton 1689. godine.)

I statika plina.

Enciklopedijski YouTube

1 / 5
Arhimedov zakon formuliran je na sljedeći način: na tijelo uronjeno u tekućinu (ili plin) djeluje sila uzgona jednaka težini tekućine (ili plina) u volumenu uronjenog dijela tijela. Sila se zove Arhimedova moć:
F A = ρ g V , (\displaystyle (F)_(A)=\rho (g)V,)
gdje ρ (\displaystyle \rho ) je gustoća tekućine (plina), g(\displaystyle(g))- ubrzanje slobodni pad, i V (\displaystyle V)- volumen uronjenog dijela tijela (ili dio volumena tijela ispod površine). Ako tijelo pluta na površini (giba se jednoliko gore ili dolje), tada je sila uzgona (koja se naziva i Arhimedova sila) jednaka u apsolutnoj vrijednosti (i suprotnog smjera) sili gravitacije koja djeluje na volumen tekućine (plin ) pomaknuto tijelom, a primijenjeno je na težište ovog volumena.

Treba napomenuti da tijelo mora biti potpuno okruženo tekućinom (ili se presijecati s površinom tekućine). Tako se, na primjer, Arhimedov zakon ne može primijeniti na kocku koja leži na dnu spremnika, hermetički dodirujući dno.
Što se tiče tijela koje se nalazi u plinu, na primjer, u zraku, da bi se pronašla sila dizanja, potrebno je gustoću tekućine zamijeniti gustoćom plina. Na primjer, balon s helijem leti prema gore zbog činjenice da je gustoća helija manja od gustoće zraka.
Arhimedov zakon se može objasniti razlikom hidrostatskog tlaka na primjeru pravokutnog tijela.
P B − P A = ρ g h (\displaystyle P_(B)-P_(A)=\rho gh) F B − F A = ρ g h S = ρ g V , (\displaystyle F_(B)-F_(A)=\rho ghS=\rho gV,)
gdje PA, P B- točke pritiska A i B, ρ - gustoća tekućine, h- razlika u razini između točaka A i B, S je površina horizontalnog presjeka tijela, V- volumen uronjenog dijela tijela.
U teorijskoj fizici Arhimedov zakon se također koristi u integralnom obliku:
F A = ∬ S p d S (\displaystyle (F)_(A)=\iint \limits _(S)(p(dS))),
gdje S (\displaystyle S)- površina, p (\displaystyle p)- pritisak u proizvoljnoj točki, integracija se vrši po cijeloj površini tijela.
U nedostatku gravitacijskog polja, odnosno u bestežinskom stanju, Arhimedov zakon ne funkcionira. Astronauti su dobro upoznati s ovim fenomenom. Konkretno, u bestežinskom stanju nema fenomena (prirodne) konvekcije, stoga se, primjerice, hlađenje zrakom i ventilacija stambenih odjeljaka svemirskih letjelica provodi prisilno, ventilatorima.

Generalizacije

Određeni analog Arhimedovog zakona vrijedi i u svakom polju sila koje različito djeluju na tijelo i na tekućinu (plin) ili u nehomogenom polju. Na primjer, ovo se odnosi na polje sila tromosti (na primjer, centrifugalna sila) – na tome se temelji centrifugiranje. Primjer za polje nemehaničke prirode: dijamagnet u vakuumu je pomaknut iz područja magnetskog polja većeg intenziteta u područje manjeg intenziteta.

Izvođenje Arhimedovog zakona za tijelo proizvoljnog oblika

Hidrostatski tlak tekućine na dubini h (\displaystyle h) tamo je p = ρ g h (\displaystyle p=\rho gh). Istovremeno, smatramo ρ (\displaystyle \rho ) tekućina i jakost gravitacijskog polja su konstantne vrijednosti, i h (\displaystyle h)- parametar. Uzmimo tijelo proizvoljnog oblika volumena različitog od nule. Uvedimo desni ortonormirani koordinatni sustav O x y z (\displaystyle Oxyz), i odaberite smjer osi z koji se podudara sa smjerom vektora g → (\displaystyle (\vec (g))). Na površini tekućine postavljena je nula duž osi z. Izdvojimo jedno elementarno područje na površini tijela d S (\displaystyle dS). Na njega će djelovati sila pritiska tekućine usmjerena unutar tijela, d F → A = − p d S → (\displaystyle d(\vec (F))_(A)=-pd(\vec (S))). Da bismo dobili silu koja će djelovati na tijelo, uzimamo integral po površini:
F → A = − ∫ S p d S → = − ∫ S ρ g h d S → = − ρ g ∫ S h d S → = ∗ − ρ g ∫ V g r a d (h) d V = ∗ ∗ − ρ g ∫ V e → z d V = − ρ g e → z ∫ V d V = (ρ g V) (− e → z) (\displaystyle (\vec (F))_(A)=-\int \limits _(S)(p \,d(\vec (S)))=-\int \limits _(S)(\rho gh\,d(\vec (S)))=-\rho g\int \limits _(S)( h\,d(\vec (S)))=^(*)-\rho g\int \limits _(V)(grad(h)\,dV)=^(**)-\rho g\int \granice _(V)((\vec (e))_(z)dV)=-\rho g(\vec (e))_(z)\int \granice _(V)(dV)=(\ rho gV)(-(\vec (e))_(z)))
Pri prijelazu s integrala po površini na integral po volumenu koristimo generalizirani Ostrogradsky-Gaussov teorem.
∗ h (x, y, z) = z; ∗ ∗ g r a d (h) = ∇ h = e → z (\displaystyle ()^(*)h(x,y,z)=z;\quad ^(**)grad(h)=\nabla h=( \vec (e))_(z))
Dobivamo da je modul Arhimedove sile jednak ρ g V (\displaystyle \rho gV), a usmjeren je u smjeru suprotnom od smjera vektora jakosti gravitacijskog polja.

Druga formulacija (gdje ρ t (\displaystyle \rho _(t))- gustoća tijela, ρ s (\displaystyle \rho _(s)) je gustoća medija u koji je uronjen).