Выталкивающая сила — это физическое воздействие, которое возникает при приложении к телу некоторой силы, препятствующей его проникновению в другое тело или среду. Определение выталкивающей силы может быть полезно при решении различных задач в физике, механике и инженерии. Зная эту величину, можно вычислить необходимые параметры и предсказать поведение объектов в различных ситуациях.
Для расчета выталкивающей силы воспользуемся формулой Архимеда, которая основана на принципе Архимеда. Согласно этому принципу, на тело, погруженное в жидкость или газ, действует сила, равная весу выброшенного из среды объема среды. Формула Архимеда записывается следующим образом:
F = ρ * V * g
где F — выталкивающая сила, ρ — плотность среды, V — объем среды, g — ускорение свободного падения.
Примером расчета выталкивающей силы может быть ситуация, когда тело погружено в воду. Зная плотность воды (обычно принимается за 1000 кг/м³), объем погруженной части тела и ускорение свободного падения (приближенно 9,8 м/с²), можно вычислить выталкивающую силу и понять, какое воздействие она будет оказывать на тело.
Что такое выталкивающая сила?
Выталкивающая сила – это сила, направленная противоположно силе гравитации, которая действует на тело, находящееся в жидкости или газе. Выталкивающая сила возникает благодаря архимедовой силе, которую испытывает тело при погружении в среду с меньшей плотностью.
При погружении тела в жидкость или газ, каждая его частица давит на соседние частицы среды. В результате этого давления возникает сила, равная весу вытесненной среды. Эта сила называется выталкивающей или архимедовой.
Выталкивающая сила часто обозначается символом Fв. Она направлена вверх, противоположно направлению силы тяжести. Величина выталкивающей силы определяется по формуле:
Fв = ρж * V * g
где:
- ρж – плотность жидкости или газа, в котором находится тело, кг/м3;
- V – объем вытесненной жидкости или газа, м3;
- g – ускорение свободного падения, м/с2.
Выталкивающая сила может быть полезной для определения плавучести тела в жидкости или газе. Если вес тела меньше выталкивающей силы, то оно будет плавать, а если вес больше, то оно утонет.
Примером применения выталкивающей силы является подъем подводной лодки. При заполнении балластных танков водой, объем воды, равный объему лодки, выталкивается наружу, создавая выталкивающую силу, достаточную для подъема лодки.
Как рассчитать выталкивающую силу?
Выталкивающая сила – это сила, с которой тело действует на другое тело и выталкивает его из своего объема. Она может быть рассчитана с использованием закона Архимеда. Для этого необходимо знать плотность среды, в которой находится тело, объем тела и силу тяжести этого тела.
- Определите массу тела с помощью известной формулы: масса = сила тяжести / ускорение свободного падения (обычно принимается равным 9,8 м/с²).
- Найдите объем тела. Объем твердого тела можно рассчитать с помощью формулы, соответствующей его геометрической форме (например, для сферы: V = (4/3) * π * r³, где V – объем, π – число «пи», r – радиус сферы).
- Определите плотность среды, в которой находится тело. Плотность – это отношение массы среды к ее объему.
- Рассчитайте выталкивающую силу с помощью формулы Архимеда: выталкивающая сила = плотность среды * объем тела * ускорение свободного падения.
Пример:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Масса тела | 10 кг |
| Объем тела | 0.5 м³ |
| Плотность среды | 1000 кг/м³ |
| Ускорение свободного падения | 9.8 м/с² |
Масса тела равна 10 кг. Объем тела равен 0.5 м³. Плотность среды равна 1000 кг/м³. Ускорение свободного падения равно 9.8 м/с².
Выталкивающая сила вычисляется по формуле:
выталкивающая сила = плотность среды * объем тела * ускорение свободного падения
выталкивающая сила = 1000 кг/м³ * 0.5 м³ * 9.8 м/с²
выталкивающая сила = 4900 Н (ньютон)
Таким образом, выталкивающая сила, действующая на данное тело в данной среде, равна 4900 Н.
Примеры расчета выталкивающей силы
Для более наглядного понимания расчета выталкивающей силы рассмотрим несколько примеров:
Пример 1:
Пусть у нас имеется куб со стороной a = 5 см, погруженный в жидкость плотностью ρ = 1000 кг/м³. Нам нужно определить выталкивающую силу, действующую на куб.
Решение:
Найдем массу куба, используя формулу m = V · ρ, где V — объем куба, а ρ — плотность жидкости:
V = a³ = 5 см × 5 см × 5 см = 125 см³ = 0.125 л = 0.125 · 10⁻³ м³
m = V · ρ = 0.125 · 10⁻³ м³ · 1000 кг/м³ = 0.125 кг
Теперь найдем величину силы Архимеда с помощью формулы F = m · g, где g — ускорение свободного падения:
F = m · g = 0.125 кг · 9.8 м/с² = 1.225 Н
Таким образом, выталкивающая сила, действующая на куб, равна 1.225 Н.
Пример 2:
Предположим, что у нас есть сфера радиусом R = 3 м, погруженная в воду плотностью ρ = 1000 кг/м³. Нам нужно найти выталкивающую силу, действующую на сферу.
Решение:
Сначала найдем объем сферы, используя формулу V = (4/3)πR³:
V = (4/3)πR³ = (4/3)π(3 м)³ ≈ 113.097 м³
Теперь найдем массу сферы, используя формулу m = V · ρ:
m = V · ρ = 113.097 м³ · 1000 кг/м³ = 113097 кг
Найдем величину силы Архимеда с помощью формулы F = m · g:
F = m · g = 113097 кг · 9.8 м/с² ≈ 1109064,6 Н
Таким образом, выталкивающая сила, действующая на сферу, составляет примерно 1109064,6 Н.
Пример 3:
Представим, что у нас есть прямоугольный параллелепипед со сторонами a = 4 см, b = 6 см и c = 8 см, погруженный в масло плотностью ρ = 900 кг/м³. Нам нужно определить выталкивающую силу, действующую на параллелепипед.
Решение:
Сначала найдем объем параллелепипеда, используя формулу V = a · b · c:
V = a · b · c = 4 см × 6 см × 8 см = 192 см³ = 0.192 л = 0.192 · 10⁻³ м³
Найдем массу параллелепипеда, используя формулу m = V · ρ:
m = V · ρ = 0.192 · 10⁻³ м³ · 900 кг/м³ = 0.1728 кг
Найдем величину силы Архимеда с помощью формулы F = m · g:
F = m · g = 0.1728 кг · 9.8 м/с² = 1.69296 Н
Таким образом, выталкивающая сила, действующая на параллелепипед, равна 1.69296 Н.
Вывод
Выталкивающая сила на тело определяется по формуле F=ρ*g*V, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, V — объем тела, находящегося в жидкости.
Данная формула позволяет рассчитать силу, с которой жидкость выталкивает тело из своего объема. Плотность жидкости может быть измерена в килограммах на кубический метр (кг/м³), ускорение свободного падения принимается равным примерно 9,8 м/с² на Земле.
Если значение выталкивающей силы равно весу тела, то оно полностью погружено в жидкость и находится в состоянии плавания. Если значение выталкивающей силы больше веса тела, то оно полностью вышло из жидкости и находится в состоянии свободного падения.
Применение данной формулы особенно важно в гидростатике и при решении задач, связанных с плаванием и погружением тел в жидкость. Позволяет определить, какое тело может полностью погрузиться в жидкость и какую силу нужно дополнительно приложить, чтобы поднять его из жидкости.