Jak zrozumieć prawo Archimedesa?

Grecki fizyk i matematyk Archimedes razu pewnego dostał zadanie od króla, by zbadać czy korona jest cała ze złota czy jest tylko pozłacana z wierzchu, a w środku srebrna. Zastanawiał się i myślał jak tego dokonać nie niszcząc korony, aż odkrył prawo wyporu podczas kąpieli w swojej wannie, a oznajmił to światu okrzykiem „heureka” (gr. znalazłem). Zauważył, że w miarę zanurzania w wodzie ciężar jego ciała zmniejsza się. To pozwoliło mu porównać ciężar właściwy korony z ciężarem właściwym złota.

Na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu skierowana przeciwnie do siły ciężkości. Siła wyporu działa pionowo, ku górze i jest zaczepiona w środku wyporu, który pokrywa się ze środkiem ciężkości wypartej cieczy, natomiast siła ciężkości jest równa ciężarowi ciała, zaczepiona w jego środku ciężkości i skierowana pionowo w dół. Siła wyporu jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało. Jeśli siły te nie równoważą się to ciało zmienia swoje położenie, wypływa lub opada.

Jeśli gęstość ciała i płynu są identyczne, to siła wyporu równoważy silę ciężkości. W takim przypadku ciało unosi się w płynie całkowicie zanurzone. Jeśli przeważa siła wyporu nad ciężkością ciała, to ciało pływa po powierzchni częściowo zanurzone. Jeśli przeważa ciężar ciała to ciało tonie. Objętość wypartej cieczy wynosi tyle samo co objętość zanurzonej części ciała (tym samym ciężar wypartej cieczy jest równy ciężarowi pływającego zanurzonego ciała). Im większa jest objętość zanurzonej części ciała, tym więcej pozornie ciało traci na ciężarze.

Wzór na siłę wyporu na zdjęciu 1.

Na zdjęciu 2 są dwie szklanki, obydwie do połowy napełnione są wodą. Na zdjęciu 3 do jednej ze szklanek włożone zostało jajko, poziom wody podniósł się. Jajko zatonęło, bo ciężar właściwy jajka był większy niż ciężar właściwy wody. Jeżeli przed włożeniem dodalibyśmy do szklanki sporo soli i wymieszali wodę, a dopiero potem wsadzili jajko, to jajko pływałoby w wodzie. A to dlatego, że ciężar właściwy wody słonej jest zawsze większy od ciężaru właściwego wody czystej - woda o większej gęstości działa większą siłą wyporu. Dlatego też w słonej, morskiej wodzie łatwiej się pływa.

Jeśli będziesz na basenie lub nad jeziorem, to zwróć uwagę, że im większą powierzchnię ciała zanurzasz tym lżejszy wydajesz się sobie. Tak właśnie działa siła wyporu, pozornie tracisz wagę.

Kamienie leżące na dnie stawu mają większą gęstość niż woda dlatego nie pływają. Wyparta przez nie woda nie równoważy ich ciężaru. Natomiast np. lód unosi się na powierzchni wody, bo jest od niej lżejszy, tzn że ma mniejszą gęstość niż woda przy takiej samej powierzchni.

Łodzie podwodne i ryby manewrują siłą wyporu i siłą ciężkości, dzięki czemu są w stanie zanurzać się i wynurzać.

1

---