Gaya apung. Deskripsi, rumus

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 05:30

Menonton penerbangan balon dan pergerakan kapal di permukaan laut, banyak orang bertanya-tanya: apa yang membuat kendaraan ini naik ke langit atau membuat kendaraan ini tetap di permukaan air? Jawaban atas pertanyaan ini adalah gaya apung. Mari kita lihat lebih dekat di artikel.

Cairan dan tekanan statis di dalamnya

Cairan adalah dua keadaan agregat materi: gas dan cair. Dampak gaya tangensial apa pun pada mereka menyebabkan beberapa lapisan materi bergeser relatif terhadap yang lain, yaitu, materi mulai mengalir.

Cairan dan gas terdiri dari partikel elementer (molekul, atom), yang tidak memiliki posisi pasti dalam ruang, seperti, misalnya, dalam padatan. Mereka terus bergerak ke arah yang berbeda. Dalam gas, gerakan kacau ini lebih intens daripada dalam cairan. Karena fakta yang dicatat, zat cair dapat mengirimkan tekanan yang diberikan pada mereka secara merata ke segala arah (hukum Pascal).

Karena semua arah gerakan dalam ruang adalah sama, tekanan total pada setiap elemen dasarvolume di dalam cairan adalah nol.

Situasi berubah secara radikal jika zat tersebut ditempatkan di medan gravitasi, misalnya, di medan gravitasi bumi. Dalam hal ini, setiap lapisan cairan atau gas memiliki berat tertentu yang menekan lapisan di bawahnya. Tekanan ini disebut tekanan statis. Ini meningkat dalam proporsi langsung dengan kedalaman h. Jadi, dalam kasus cairan dengan massa jenis _l, tekanan hidrostatik P ditentukan oleh rumus:

P=_lgh.

Di sini g=9,81 m/s²- percepatan jatuh bebas di dekat permukaan planet kita.

Tekanan hidrostatik telah dirasakan oleh setiap orang yang telah menyelam beberapa meter di bawah air setidaknya sekali.

Selanjutnya, perhatikan masalah daya apung pada contoh zat cair. Namun demikian, semua kesimpulan yang akan diberikan juga berlaku untuk gas.

Tekanan hidrostatik dan hukum Archimedes

Mari kita buat eksperimen sederhana berikut. Mari kita ambil tubuh dengan bentuk geometris biasa, misalnya kubus. Diketahui panjang rusuk kubus adalah a. Mari kita rendam kubus ini dalam air sehingga permukaan atasnya berada pada kedalaman h. Berapa tekanan yang diberikan air pada kubus?

Untuk menjawab pertanyaan di atas, perlu diperhatikan besarnya tekanan hidrostatis yang bekerja pada setiap permukaan gambar. Jelas, tekanan total yang bekerja pada semua sisi sisi akan sama dengan nol (tekanan di sisi kiri akan dikompensasikan dengan tekanan di sisi kanan). Tekanan hidrostatis pada permukaan atas adalah:

P₁=_lgh.

Tekanan ini turun. Gaya yang sesuai adalah:

F₁=P₁S=_lghS.

Di mana S adalah luas wajah persegi.

Gaya yang terkait dengan tekanan hidrostatik, yang bekerja pada permukaan bawah kubus, akan sama dengan:

F₂=_lg(h+a)S.

F₂gaya diarahkan ke atas. Kemudian gaya yang dihasilkan juga akan diarahkan ke atas. Artinya adalah:

F=F₂- F₁=_lg(h+a)S - _lghS=_lgaS.

Perhatikan bahwa produk dari panjang rusuk dan luas permukaan S sebuah kubus adalah volumenya V. Fakta ini memungkinkan kita untuk menulis ulang rumus sebagai berikut:

F=_lgV.

Rumus gaya apung ini menyatakan bahwa nilai F tidak bergantung pada kedalaman perendaman benda. Karena volume benda V bertepatan dengan volume cairan V_l, yang dipindahkannya, kita dapat menulis:

F_A=_lgV_l.

Rumus gaya apung F_A biasa disebut ekspresi matematis dari hukum Archimedes. Ini pertama kali didirikan oleh seorang filsuf Yunani kuno pada abad ke-3 SM. Merupakan kebiasaan untuk merumuskan hukum Archimedes sebagai berikut: jika sebuah benda direndam dalam zat cair, maka gaya vertikal ke atas bekerja padanya, yang sama dengan berat benda yang dipindahkan oleh tubuh.zat. Gaya apung disebut juga gaya Archimedes atau gaya angkat.

Gaya yang bekerja pada benda padat yang direndam dalam zat cair

Penting untuk mengetahui gaya-gaya ini untuk menjawab pertanyaan apakah benda akan mengapung atau tenggelam. Secara umum, hanya ada dua:

gravitasi atau berat badan F_g;
gaya apung F_A.

Jika F_g>F_A, maka aman untuk mengatakan bahwa tubuh akan tenggelam. Sebaliknya, jika F_g<F_A, maka tubuh akan menempel pada permukaan zat. Untuk menenggelamkannya, Anda perlu menerapkan gaya eksternal F_A-F_g.

Mengganti rumus untuk gaya yang disebutkan ke dalam ketidaksetaraan yang ditunjukkan, seseorang dapat memperoleh kondisi matematis untuk benda melayang. Tampilannya seperti ini:

ρ_s<ρ_l.

Di sini _s adalah kepadatan rata-rata tubuh.

Sangat mudah untuk mendemonstrasikan efek dari kondisi di atas dalam praktik. Cukup untuk mengambil dua kubus logam, yang satu padat dan yang lainnya berlubang. Jika Anda membuangnya ke dalam air, yang pertama akan tenggelam, dan yang kedua akan mengapung di permukaan air.

Menggunakan gaya apung dalam latihan

Semua kendaraan yang bergerak di atas atau di bawah air menggunakan prinsip Archimedes. Jadi, perpindahan kapal dihitung berdasarkan pengetahuan tentang gaya apung maksimum. Kapal selam berubahkepadatan rata-rata mereka dengan bantuan ruang pemberat khusus, dapat mengapung atau tenggelam.

Contoh nyata dari perubahan kepadatan rata-rata tubuh adalah penggunaan jaket pelampung oleh seseorang. Mereka secara signifikan meningkatkan volume keseluruhan dan pada saat yang sama praktis tidak mengubah berat badan seseorang.

Naiknya balon atau balon bayi berisi helium di langit adalah contoh utama gaya apung Archimedean. Kemunculannya disebabkan oleh perbedaan densitas udara panas atau gas dan udara dingin.

Masalah menghitung gaya Archimedean dalam air

Bola berongga benar-benar terendam air. Jari-jari bola adalah 10 cm, maka perlu menghitung gaya apung air.

Untuk mengatasi masalah ini, Anda tidak perlu tahu dari bahan apa bola itu dibuat. Anda hanya perlu menemukan volumenya. Yang terakhir dihitung dengan rumus:

V=4/3pir³.

Maka ekspresi untuk menentukan gaya Archimedean air akan ditulis sebagai:

F_A=4/3pir³ρ_lg.

Mengganti jari-jari bola dan massa jenis air (1000 kg/m³), kita mendapatkan bahwa gaya apung adalah 41,1 N.

Masalah untuk membandingkan gaya Archimedean

Ada dua tubuh. Volume yang pertama adalah 200 cm³, dan yang kedua adalah 170 cm³. Tubuh pertama direndam dalam etil alkohol murni, dan yang kedua di dalam air. Penting untuk menentukan apakah gaya apung yang bekerja pada benda-benda ini sama.

Gaya Archimedean yang sesuai bergantung pada volume benda dan kepadatan cairan. Untuk air, massa jenisnya adalah 1000 kg/m³, untuk etil alkohol adalah 789 kg/m³. Hitung gaya apung di setiap fluida menggunakan data berikut: