Шарлардын учушун жана деңиз бетинде кемелердин кыймылын көрүп, көп адамдар таң калышат: бул унаалардын асманга көтөрүлүшүнө эмне себеп болот же бул унааларды суунун бетинде кармап турган эмне? Бул суроонун жообу сүзүү болуп саналат. Келгиле, аны макалада кененирээк карап чыгалы.
Суюктуктар жана алардагы статикалык басым
Суюктук - бул заттын эки агрегаттык абалы: газ жана суюк. Аларга кандайдыр бир тангенциалдык күчтүн таасири материянын кээ бир катмарларынын башкаларына салыштырмалуу жылып кетишине алып келет, башкача айтканда, материя агып баштайт.
Суюктуктар жана газдар мейкиндикте, мисалы, катуу заттардагыдай эле белгилүү бир орду жок элементардык бөлүкчөлөрдөн (молекулалардан, атомдордон) турат. Алар ар кандай багытта тынымсыз кыймылдашат. Газдарда бул башаламан кыймыл суюктуктарга караганда күчтүүрөөк болот. Белгиленген фактыдан улам суюк заттар аларга жасалган басымды бардык багыттар боюнча бирдей өткөрө алат (Паскаль мыйзамы).
Космостогу кыймылдын бардык багыттары бирдей болгондуктан, ар кандай элементардык басымга жалпы басымсуюктуктун көлөмү нөлгө барабар.
Эгер каралып жаткан зат гравитациялык талаага, мисалы, Жердин тартылуу талаасына жайгаштырылса, абал түп-тамырынан өзгөрөт. Бул учурда суюктуктун же газдын ар бир катмары астындагы катмарларга басым жасаган белгилүү бир салмакка ээ. Бул басым статикалык басым деп аталат. Ал h тереңдигине түз пропорционалдуу өсөт. Ошентип, тыгыздыгы ρl болгон суюктуктун учурда гидростатикалык басым P төмөнкү формула менен аныкталат:
P=ρlgh.
Бул жерде g=9,81 м/с2- планетабыздын бетине жакын жерде эркин түшүү ылдамдыгы.
Гидростатикалык басымды кеминде бир жолу бир нече метр сууга чөккөн ар бир адам сезет.
Кийин, суюктуктардын мисалында сүзүү маселесин карап көрөлү. Ошого карабастан, бардык тыянактар газдар үчүн да жарактуу.
Гидростатикалык басым жана Архимед мыйзамы
Келгиле, төмөнкү жөнөкөй экспериментти орнотуп алалы. Регулярдуу геометриялык формадагы денени алалы, мисалы, куб. Кубдун капталынын узундугу а болсун. Анын үстүнкү бети h тереңдигинде болушу үчүн бул кубду сууга салалы. Суу кубка канчалык басым жасайт?
Жогорудагы суроого жооп берүү үчүн фигуранын ар бир бетине таасир этүүчү гидростатикалык басымдын өлчөмүн эске алуу керек. Албетте, бардык каптал беттерине таасир этүүчү жалпы басым нөлгө барабар болот (сол тараптагы басым оң тараптагы басым менен компенсацияланат). Үстүнкү беттеги гидростатикалык басым төмөнкүдөй болот:
P1=ρlgh.
Бул басым төмөндөйт. Анын тиешелүү күчү:
F1=P1S=ρlghS.
Бул жерде S - чарчы беттин аянты.
Кубдун астыңкы бетине таасир этүүчү гидростатикалык басымга байланыштуу күч төмөнкүгө барабар болот:
F2=ρlg(h+a)S.
F2күч жогору багытталган. Ошондо пайда болгон күч да жогору карай багытталат. Анын мааниси:
F=F2- F1=ρlg(h+a)S - ρlghS=ρlgaS.
Кубдун кырынын узундугу менен S бетинин аянтынын көбөйтүндүсү V көлөмү экенине көңүл буруңуз. Бул факт формуланы төмөнкүдөй кайра жазууга мүмкүндүк берет:
F=ρlgV.
Калтуу күчүнүн бул формуласы F маанисинин дененин чөмүлүү тереңдигине көз каранды эместигин айтат. V дененин көлөмү ал жылып кеткен суюктуктун Vl көлөмүнө дал келгендиктен, мындай жаза алабыз:
FA=ρlgVl.
Калкыруу күчү формуласы FA адатта Архимед мыйзамынын математикалык туюнтмасы деп аталат. Аны биринчи жолу биздин заманга чейинки 3-кылымда байыркы грек философу негиздеген. Архимеддин законун мындайча формулировкалоо адатка айланган: эгерде дене суюк затка чөмүлсө, анда ага вертикалдуу жогору карай күч аракет кылат, бул дене жылдырган нерсенин салмагына барабар.заттар. Калкыруучу күч Архимед күчү же көтөрүүчү күч деп да аталат.
Суюк затка чөмүлгөн катуу денеге таасир этүүчү күчтөр
Дене калкып кетеби же чөгүп кетеби деген суроого жооп берүү үчүн бул күчтөрдү билүү маанилүү. Жалпысынан алардын экөөсү гана бар:
- гравитация же дене салмагы Fg;
- сүзүү күчү FA.
Эгер Fg>FA болсо, анда дене чөгүп кетет деп айтууга болот. Тескерисинче, Fg<FA болсо, анда дене заттын бетине жабышып калат. Аны чөктүрүш үчүн FA-Fg тышкы күч колдонуу керек.
Аты аталган күчтөрдүн формулаларын көрсөтүлгөн теңсиздикке алмаштырып, денелердин сүзүшүнүн математикалык шартын алууга болот. Бул мындай көрүнөт:
ρs<ρl.
Бул жерде ρs – дененин орточо тыгыздыгы.
Жогорудагы шарттын таасирин практикада көрсөтүү оңой. Бири катуу, экинчиси көңдөй болгон эки металл кубик алуу жетиштүү. Аларды сууга ыргытсаңыз, биринчиси чөгүп, экинчиси суунун бетинде калкып чыгат.
Практикада сүзгүчтү колдонуу
Суунун үстүндө же астында жүргөн бардык унаалар Архимед принцибинин негизинде жүрүшөт. Ошентип, кемелердин жылышуусу максималдуу сүзүү күчүн билүүнүн негизинде эсептелет. Суу астындагы кайыктар өзгөрөталардын орточо тыгыздыгы атайын балласт камераларынын жардамы менен калкып же чөгө алат.
Дененин орточо тыгыздыгынын өзгөрүшүнүн жаркын мисалы - адамдын куткаруучу жилетки колдонуусу. Алар жалпы көлөмүн бир топ жогорулатат жана ошол эле учурда адамдын салмагын иш жүзүндө өзгөртпөйт.
Асмандагы шардын же гелий менен толтурулган бала шарлардын көтөрүлүшү Архимед күчтөрүнүн эң сонун мисалы. Анын көрүнүшү ысык абанын же газдын жана муздак абанын тыгыздыгынын ортосундагы айырмага байланыштуу.
Суудагы Архимед күчүн эсептөө маселеси
Көңүл топ толугу менен сууга чөгүп кеткен. Топтун радиусу 10 см. Суунун сүзүү жөндөмдүүлүгүн эсептөө керек.
Бул маселени чечүү үчүн шар кандай материалдан жасалганын билүүнүн кереги жок. Анын көлөмүн табуу гана керек. Акыркы формула менен эсептелет:
V=4/3pir3.
Анда суунун Архимед күчүн аныктоочу туюнтма төмөнкүчө жазылат:
FA=4/3pir3ρlg.
Топтун радиусу менен суунун тыгыздыгын (1000 кг/м3) алмаштырсак, сүзүү күчү 41,1 Н экенин билебиз.
Архимед күчтөрүн салыштыруу маселеси
Эки дене бар. Биринчисинин көлөмү 200 см3, экинчисинин көлөмү 170 см3. Биринчи дене таза этил спиртине, экинчиси сууга чөмүлдү. Бул денелерге таасир этүүчү сүзгүч күчтөрдүн бирдей экендигин аныктоо керек.
Тиешелүү архимед күчтөрү дененин көлөмүнө жана суюктуктун тыгыздыгына көз каранды. Суунун тыгыздыгы 1000 кг/м3, этил спирти үчүн 789 кг/м3. Бул маалыматтарды колдонуу менен ар бир суюктуктун сүзүү күчүн эсептеңиз:
суу үчүн: FA=100017010-69, 81 ≈ 1, 67 N;
спирт үчүн: FA=78920010-69, 81 ≈ 1, 55 N.
Ошентип, сууда архимеддик күч спиртке караганда 0,12 Нга чоң.
