Lực đẩy Ác-si-mét có công thức tính là
|
Giới thiệu bài học Bài giảng Lực đẩy Ác-si-mét sẽ giúp các em nắm được những kiến thức quan trọng nhất: - Khái niệm của lực đẩy Ác-si-mét - Công thức tính độ lớn của lực đẩy Ác-si-mét Nội dung bài học I. Tóm tắt lý thuyết trong bài giảng 1. Tác dụng của chất lỏng lên vật nhúng chìm trong nó * Thí nghiệm - Khi treo vật nặng vào lực kế, lực kế chỉ giá trị P - trọng lượng của vật - Khi nhúng vật nặng chìm trong nước thì lực kế chỉ giá trị P1 Nhận thấy P1 < P → Như vậy có lực của chất lỏng tác dụng lên vật. Lực này có một số đặc điểm: + Điểm đặt: Tại vật + Hướng: từ dưới lên trên + Độ lớn: là một giá trị xác định Kết luận: Một vật nhúng trong chất lỏng bị chất lỏng tác dụng một lực đẩy hướng từ dưới lên trên * Lực đẩy này do nhà bác học Ác - si - mét phát hiện ra đầu tiên nên được gọi là lực đẩy Ác - si - mét 2. Độ lớn của lực đẩy Ác - si - mét a. Dự đoán Nhà bác học Ác - si - mét phát hiện ra rằng: khi người chìm trong nước càng nhiều thì lực đẩy lại càng lớn, nghĩa là phần thể tích nước bị người chiếm chỗ càng lớn thì lực đẩy của nước lên người càng mạnh. ⇒Dự đoán độ lớn của lực đẩy lên vật nhúng trong chất lỏng bằng trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ. b. Mô tả thí nghiệm kiểm chứng * Bao gồm: Lực kế, Vật nặng, Cốc chứa A, Bình tràn, Cốc chứa B * Tiến hành: - Ghi số chỉ của lực kế khi treo vật nặng và cốc chứa A. Ta có số chỉ của lực kế là P - Nhúng ngập vật nặng vào bình tràn, nước tràn được chứa trong cốc B. Ta có số chỉ của lực kế là P1 - Đổ nước của cốc chứa B vào cốc chứa A. Ta có số chỉ của lực kế là P * Nhận xét: - Giá trị P1 < P: vì có lực đẩy Ác - si - mét tác dụng lên vật nặng - Giá trị của lực đẩy Ác - si - mét. Về lý thuyết suy ra: FA = P - P1 (1) - Khi đổ nước ở cốc chứa B vào cốc chứa A ta có: P1 + FA = P (2) Suy ra: Trọng lượng nước ở cốc chứa B: là giá trị của lực đẩy Ác - si - mét Từ (1) và (2) dự đoán về độ lớn của lực đẩy Ác -si - mét là đúng 3. Công thức tính FA = d.V Trong đó: FA - Lực đẩy Ác - si - mét d - Trọng lượng riêng của chất lỏng V - Thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ II. Ví dụ trong bài giảng Câu 1: So sánh lực đẩy Ác - si - mét tác dụng lên hai thỏi nhôm và đồng có cùng thể tích khi
Lời giải: Gọi thể tích của 2 thỏi nhôm và đồng là V d là trọng lượng riêng của nước Khi cùng nhúng chìm trong nước Ta có: \[{F_{A1}} = d.V{F_{A2}} = d.V\] Suy ra \[{F_{A1}} = {F_{A2}}\]
\[{{F}_{A1}}={{d}_{1}}.V\] Thỏi đồng nhúng chìm trong nước \[{F_{A2}} = {d_2}.V\] Do \[{{d}_{1}}=8900N/{{m}^{3}}\] và \[{d_2} = 10000N/{m^3}\] Suy ra FA1 < FA2 Câu 2: Thể tích của một miếng sắt là 2 dm3. Biết nước có d = 10 000 N/m3
Lời giải: Khi nhúng chìm trong nước Ta có FA = d.V Thay số: d = 10 000 N/m3, V = 2 dm3 = 0,002 m3 Suy ra FA = 10 000 . 0,002 = 20 N Theo công thức FA = d.V thì giá trị của lực FA không phụ thuộc vào độ sâu của vật trong nước mà chỉ phụ thuộc vào trọng lượng riêng của chất lỏng và thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ. Câu 3: Treo vật đặc vào lực kế, lực kế chỉ 100N. Khi nhấn chìm vật trong nước thì lực kế chỉ 96N.
Lời giải: Lực đẩy Ác - si - mét có giá trị FA = 100 - 96 = 4 N Suy ra V = FA : d Thay số, ta có V = 4:10 000 = 0,0004 m3 = 0,4 dm3 Lực đẩy Archimedes (hay lực đẩy Ác-si-mét) là lực tác động bởi một chất lưu (chất lỏng hay chất khí) lên một vật thể nhúng trong nó, khi cả hệ thống nằm trong một trường lực của Vật lý học (trọng trường hay lực quán tính). Lực vật lý học này có cùng độ lớn và ngược hướng của tổng lực mà trường lực tác dụng lên phần chất lưu có thể tích bằng thể tích vật thể chiếm chỗ trong chất này. Lực này được đặt tên theo Archimedes, nhà bác học người Hy Lạp đã khám phá ra nó[1]. Lực đẩy Archimedes giúp thuyền và khí cầu nổi lên, là cơ chế hoạt động của sự chìm nổi của tàu ngầm hay cá, và đóng vai trò trong sự đối lưu của chất lưu.
 Nếu thả một vật ở trong lòng chất lỏng thì:
FA < P
FA = P Vậy nói một cách dễ hiểu, vật sẽ nổi khi "trọng lượng riêng tổng hợp" của nó nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước. Điều này có thể lý giải việc tàu to và nặng gấp nhiều lần so với kim lại có thể nổi. Kim tuy nhẹ nhưng thể tích chiếm nước nhỏ nên trọng lượng riêng sẽ lớn còn tàu tuy nặng nhưng thể tích chiếm nước rất lớn do đó "trọng lượng riêng tổng hợp" sẽ nhỏ. Kết cấu thân vỏ tàu là kết cấu vỏ có khung gia thường làm bằng thép. Về một khía cạnh nào đó bên trong lớp tôn vỏ tàu hoàn toàn "rỗng" dẫn đến thể tích chiếm nước lớn. Trọng lượng tàu luôn thay đổi nên "trọng lượng riêng tổng hợp" cũng luôn thay đổi theo. Khi ta chất hàng vào tàu, tàu sẽ chìm dần ứng với công thức bên trên. Nếu ta chất quá nhiều hàng, tàu chìm đến mức mà nước sẽ tràn vào chiếm chỗ các không gian trong các kết cấu vỏ rỗng, các khoang, các két, một mặt làm tăng trọng lượng tàu, một mặt làm giảm thể tích chiếm nước kết quả là "trọng lượng riêng tổng hợp" tăng và giá trị này lớn hơn trọng lượng riêng của nước. Nói cách khác - tàu đang chìm. Tất cả các phân tích trên đây chỉ đúng khi đảm bảo giả thuyết tàu ổn định, không nghiêng, không chúi. Khi thả một vật xuống nước, trên bề mặt Trái Đất, nếu vật có trọng lượng riêng nhẹ hơn trọng lượng riêng của nước thì nó sẽ nổi lên trên mặt nước, do trọng lực của vật kéo nó xuống nhỏ hơn lực đẩy Archimedes nên vật nổi hoàn toàn. Trạng thái cân bằng đạt được khi lực đẩy Archimedes bằng trọng lực của vật, và vật chiếm một thể tích trong nước nhỏ hơn tổng thể tích của nó. Nếu khối lượng riêng của vật này nặng hơn nước thì nó sẽ chìm xuống, do lực đẩy Archimedes lớn nhất có được khi vật chìm hoàn toàn cũng không đủ thắng trọng lực tác dụng vào vật.
Lực Ác si mét xuất hiện từ tác dụng của áp suất chất lỏng (hay khí) trên bề mặt vật thể. Công thức cho tổng lực áp suất: FA = d.V - P - áp suất trên bề mật vật thể (N/m²) Hàm P cho chất lỏng tĩnh: P(z) = ρl g z + P0 - ρl - tỉ trọng chất lỏng (kg/m³) - g - hấp dẫn (m/s2) - z - độ sâu dưới bề mặt chất lỏng (m) - P0 - áp suất trên bề mặt chất lỏng (N/m²) (áp suất thuộc độ sâu). Áp dụng định luật Guass biến đổi cộng thức này thành: FA = ∬ P n dS = ∭ ∇P dV = ∭ ρl g dV k = ρl g V k - dV - miếng thể tích vật thể (m³) - V - thể tích vật thể (m³) - k - vectơ đơn vị hướng z Đây là kết quả lực đẩy Ác-si-mét bằng tích của tỉ trọng của chất lỏng nhân thể tích bị vật chiếm chỗ. Phương pháp ở trên có thể dùng cho trường chất lỏng tỉ trọng không đều như 2+ chất lỏng khác nhau (ví dụ cục sắt nổi trên thủy ngân dưới nước) hay chất lỏng đổi tỉ trọng tùy áp suất. Lực đẩy không xem xét sức căng bề mặt (lực mao dẫn) tác động lên vật.[2] Hơn nữa, lực đẩy Archimedes không áp dụng được trong chất lỏng phức tạp.[3] Có một ngoại lệ đối với nguyên tắc của Archimedes được gọi là trường hợp dưới cùng (hoặc bên). Điều này xảy ra khi một bên của vật chạm vào đáy (hoặc bên) của tàu mà nó bị ngập trong nước, và không có chất lỏng nào thấm vào dọc theo bên đó. Trong trường hợp này, lực đẩy ròng là khác với lực đẩy Archimedes, do thực tế là do không có chất lỏng nào thấm vào bên đó, nên sự đối xứng của áp lực đã bị phá vỡ.[4]
|
