Flotabilitate statică AustriaWiki în Forumul Austria

flotabilitate statică (și în lichide flotabilitate hidrostatică, [1] în gaze flotabilitate aerostatică) este fenomenul conform căruia un corp scufundat într-un fluid (un lichid sau un gaz) în repaus pare să slăbească. [2] Se pare că corpul a devenit mai ușor, poate fi chiar „tras în sus”. Cu alte cuvinte: greutatea sa este parțial, complet sau excesiv prin flotabilitate statică (de asemenea flotabilitate hidrostatică [3]) compensat.

Cel (hidro) static impuls este adesea folosit cu (hidro) static Plutire echivalat, [4] deși flotabilitatea este de fapt utilizată doar pentru a descrie efectul creat de forță.

Dacă greutatea corpului este mai mare decât forța de flotabilitate care acționează în prezent, corpul se scufundă în fluid din. În jargonul marin, acesta va fi cazul ridicare negativă sau Afirmație modestă menționată, de exemplu în cazul celulelor submarine subterane. Dacă greutatea este mai mică, corpul crește în fluid pe. O mișcare condusă de flotabilitate se încheie atunci când forța de flotabilitate și greutatea au găsit un nou echilibru. De exemplu, un balon cu aer cald crește până când a ajuns la un strat de aer cu o densitate mai mică, ceea ce determină o flotabilitate mai mică și are aceeași densitate ca balonul. Atunci când există un echilibru de forțe, balonul pluteste fără nicio schimbare de altitudine. Un submarin care apare la suprafața apei poate atinge echilibrul părăsind parțial apa și reducând astfel flotabilitatea acesteia. Submarinul plutește la suprafață.

Puterea flotabilității statice rezultă din principiul lui Arhimede, adică depinde de greutatea care a acționat asupra fluidului care a fost acum deplasat. Densitatea corpului este adesea comparată cu cea a fluidului pentru a face o declarație despre scufundarea, plutirea sau creșterea corpului. Relația cu greutatea specifică a fluidului este depășită.

Deveniți obiecte de fluid curge în jur, ridicarea dinamică poate acționa și ea (care, atunci când este direcționată în jos ca presiune de contact, de asemenea ca Forța de forță este desemnat), aceasta dinamic Flotabilitatea este principiul fizic din spatele modului în care zboară păsările, avioanele și elicopterele.

Fundal fizic

Flotabilitatea unui corp scufundat într-un fluid provine din faptul că presiunea unui fluid în câmpul gravitațional, așa-numita presiune hidrostatică, crește cu adâncimea, [5] adică pentru fiecare corp extins „dedesubt” și „deasupra” este diferit. De exemplu, dacă un corp cuboid este scufundat cu baza sa într-un fluid, presiunea hidrostatică pe bază (în imagine ca marcat) mai mare decât în ​​partea de sus (A). [5] În cazul corpurilor de formă neregulată, forța statică de flotabilitate este forța rezultată din componentele forței (verticale) ale presiunilor hidrostatice care acționează asupra tuturor părților de suprafață. [5]

Din cuboidul scufundat se poate deduce: O forță de flotabilitate F A> acționează asupra unui corp care este scufundat într-un fluid cu densitatea ρ cu cantitatea:

V este volumul fluidului deplasat de corp, g accelerația datorată gravitației.

Produsul densității și volumului ρ V este masa m a fluidului deplasat de corp. Și g ρ V este greutatea sa. Forța statică de flotabilitate corespunde astfel greutății fluidului care ar fi în locul corpului scufundat.

Această relație este cunoscută sub numele de principiul arhimedean.

Dacă forța de flotabilitate statică F → A> _> este comparată cu greutatea F → G> _ >> a corpului luat în considerare, atunci raportul densităților corpului și fluidului este decisiv pentru această comparație. Acest lucru este rezumat în așa fel încât un corp să plutească într-un fluid atunci când densitatea sa medie este exact aceeași cu cea a fluidului din jur, încât crește la o densitate mai mică sau se scufundă la o densitate mai mare.

Paradoxul hidrostatic afirmă că presiunea depinde doar de adâncime și nu de forma unui fluid. Prin urmare, forța de flotabilitate este independentă de cantitatea de fluid în care este scufundat corpul. Prin urmare, principiul se aplică și în cazul în care lichidul încă prezent are un volum mai mic decât partea scufundată a plutitorului.

Forța de flotabilitate este mai mică decât forța de greutate: scufundare

O forță de flotabilitate acționează nu numai asupra fiecărui corp atunci când este scufundat într-o piscină, ci este aceeași în aer. Acest efect este mult mai mic în condiții normale (

Factor 1000) decât într-un lichid, pentru o cântărire precisă trebuie luat în considerare faptul că la determinarea masei în aer se obține doar valoarea de cântărire ca valoare aproximativă. Chiar și cu corpuri mici, cum ar fi picături de ulei în aer, flotabilitatea trebuie luată în considerare pentru măsurători precise ale echilibrului forțelor, vezi experimentul Millikan.

Conform legendei, Arhimede din Siracuza trebuia să verifice conținutul de aur al unei coroane și să scufunde coroana o dată și apoi o bară de aur de aceeași greutate într-un recipient plin cu apă și a măsurat cantitatea de apă debordantă. Galileo Galilei bănuia că Arhimede a folosit în schimb un balans de fascicul, similar cu cel prezentat mai sus, pentru a măsura diferențele de densitate datorate flotabilității diferite în apă.

Flotabilitatea este mai mare decât greutatea: ascendentă

Forța de ridicare este egală cu greutatea

Planare

Înot la suprafață

Dacă, pe lângă greutatea sa F → G> _ >>, doar flotabilitatea statică F → A> _> acționează asupra unui corp în repaus, parțial scufundat (de exemplu, o navă), atunci se aplică forța de flotabilitate în echilibru static

independent asupra densității apei, care are o influență asupra adâncimii de penetrare a corpului (în echilibru F A/(ρ ¯ V) = g ¯> /> V)> = >>)

Așa-numitul echilibru de înot [14] afirmă că:

Volumul total scufundat V = densitatea d. densitatea corpului plutitor al lichidului >>> = >>>> [14]

Utilizare: pescaj de navă

Navele plutitoare se află într-un echilibru stabil: dacă se scufundă mai adânc în valuri ridicate, volumul de apă deplasată și astfel flotabilitatea cresc și sunt ridicate din nou. Dacă sunt ridicate prea mult, volumul de apă deplasat și flotabilitatea scad, iar gravitația îi lasă să se scufunde din nou.

Dacă o navă călcă într-o parte, de ex. B. în cercul rotativ sau vântul încrucișat, tirajul crește pe această parte, în timp ce scade pe cealaltă parte. În funcție de condițiile de presiune modificate, centrul de ridicare se schimbă și apare un moment care contracarează înclinarea și readuce nava în poziția de plecare imediat ce influența externă dispare.

Dacă un feribot este încărcat, greutatea acestuia crește, așa că se scufundă Mai adânc intră în apă și deplasează mai multă apă decât în ​​starea descărcată. Din cauza adâncimii de scufundare mai mari acționează atunci Mai Mult Forța de flotabilitate, aceasta este întotdeauna în echilibru cu forța de greutate (acum mai mare).

Dacă această navă conduce de la Marea Nordului la Elba și se schimbă astfel din apă sărată în apă dulce (care are o densitate mai mică decât apa sărată), forța de flotabilitate ar scădea în apa dulce cu adâncimea de imersiune neschimbată. Prin urmare, nava se scufundă Mai adânc până când forța de flotabilitate a volumului mai mare de scufundare este din nou în echilibru cu greutatea navei.

austriawiki
Marca bordului liber (stânga) și marca de încărcare (dreapta) pe o navă: TF = zona liberă de apă dulce tropicale
F = bord liber în apă dulce
T = bord liber în apă tropicală de mare (apă sărată a mării)
S = semn de încărcare de vară în apa lacului
W = bord liber în apa mării iarna
WNA = bord liber în apa mării iarna în Atlanticul de Nord

Etichetele de încărcare pe nave indică adâncimile (permise) de imersie în apă de diferite densități. Cele două margini superioare orizontale superioare ale pasului (în direcția circulară) marchează bordul liber pentru apa dulce în apele interioare, patru inferioare una sub cealaltă pentru apa sărată mai densă din mări cu temperaturi diferite.

Dacă metanul aruncă din depozitele de hidrat de metan submarin, acest lucru poate reprezenta un risc pentru transportul maritim. Oamenii de știință scoțieni atribuie acest lucru scufundării unui trauler de pescuit descoperit în gaura vrăjitoarelor din Marea Nordului. Bulele de gaz în creștere pot reduce densitatea apei mării atât de mult, încât navele își pierd brusc capacitatea de a înota. [15] [16]

Aplicare: măsurarea densității, măsurarea temperaturii

O forță de flotabilitate F A> acționează asupra unui hidrometru (numit și fus de densitate) care este scufundat într-un lichid cu densitatea ρ, cu cantitatea:

Din adâncimea de penetrare, se pot trage concluzii despre densitatea lichidului și deci posibil despre conținutul substanțelor dizolvate, care pot fi citite pe o scară adaptată scopului hidrometrului. Un exemplu tipic în acest sens este aerometrul la scară.

Într-un termometru lichid conform Galileo Galilei, plutitoarele sunt dispuse în funcție de densitatea fluidului dependent de temperatură la diferite înălțimi în poziția de echilibru respectivă

Un termometru Galileo arată temperatura lichidului pe baza flotabilității diferitelor corpuri dintr-un lichid. Sferele de sticlă utilizate în acest scop, al căror diametru este mai mare de jumătate din diametrul interior al cilindrului [17] (astfel încât acestea să rămână în stratificare și să nu se „depășească” unul pe altul), au fost echilibrate cu ajutorul lichidelor, astfel încât densitatea lor medie de la sfera cea mai de sus la cea mai mică minge crește. Deoarece densitatea lichidului este dependentă de temperatură, flotabilitatea se modifică în funcție de temperatură. La o anumită temperatură, toate sferele cresc, ale căror densități medii sunt mai mici decât densitatea medie a lichidului care le înconjoară. Toate sferele se scufundă, ale căror densități medii sunt mai mari decât densitatea medie a lichidului înconjurător. Temperatura actuală poate fi citită de pe autocolantul atașat la bila care plutea în partea de jos. [17] Dacă lichidul se încălzește, adică densitatea acestuia scade, o altă bilă se scufundă și noua temperatură poate fi citită de pe autocolantul atașat la bila care pluteste în partea de jos.

Efectul schimbării flotabilității odată cu temperatura apare și în timpul scufundărilor submarinelor, dacă temperatura apei mării scade odată cu creșterea adâncimii apei sau submarinul comută între un curent oceanic cald și unul rece în timpul scufundărilor statice.

A se vedea, de asemenea, ilustrația marcajelor de încărcare a navei de mai sus, care iau în considerare flotabilitatea diferită a navelor vara și iarna și în apele reci ale Atlanticului de Nord și în apele tropicale mai calde.

Aplicare: jucării fizice

Vezi si

Link-uri web

Dovezi individuale

  1. ↑ Ernst Lecher: Mecanică și acustică - căldură - optică.ISBN 3-11-121275-0, p. 121 (previzualizare limitată în Căutare de cărți Google), accesat ultima dată în februarie 2020.
  2. ↑ Joseph H. Spurk: Mecanica fluidelor.ISBN 3-540-61308-0, p. 143 (previzualizare limitată în Căutare de cărți Google), accesat ultima dată în februarie 2020.
  3. ↑Curenți. P. 12 (previzualizare limitată în căutarea Google Book), accesat ultima dată în februarie 2020.
  4. ↑Fizică și tehnologie radio pentru navigatori. P. 48 (previzualizare limitată în căutarea Google Book), accesat ultima dată în februarie 2020.
  5. 123 Douglas C. Giancoli: fizică.ISBN 3-86894-023-5, p. 460 (previzualizare limitată în căutarea de carte Google)
  6. ↑ Aceste clădiri au devenit mult mai scumpe decât au fost planificate; la weser-kurier.de
  7. ↑ Hans-Joachim Schlichting (profesor de fizică)
  8. ↑ Hans-Joachim Schlichting (profesor de fizică)
  9. ↑ David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker: Fizica Halliday.ISBN 978-3-527-81260-8, p. 467 (previzualizare limitată în Căutare de cărți Google), accesat ultima dată în februarie 2020.
  10. ^ Clifford A. Pickover: Arhimede la Hawking. Oxford University Press SUA - OSO, 2008, ISBN 978-0-19-533611-5, p. 41 .
  11. ^ Theodor Pöschl: Înotul corpului. În: Manual de hidraulică pentru ingineri și fizicieni. Springer, Berlin/Heidelberg 1924, ISBN 978-3-642-98315-3, pp. 27-35, doi: 10.1007/978-3-642-99127-1_4 (springer.com [accesat la 25 februarie 2020]).
  12. ↑ Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1 (= manual Springer). Springer, Berlin/Heidelberg 2018, ISBN 978-3-662-54846-2, doi: 10.1007/978-3-662-54847-9 (springer.com [accesat la 25 februarie 2020]).
  13. ^ Johow, E. Foerster: calculul și proiectarea navelor. În: Carte de ajutoare pentru construcția navală. Springer, Berlin/Heidelberg 1928, ISBN 978-3-642-50392-4, pp. 1–150, doi: 10.1007/978-3-642-50701-4_1 (springer.com [accesat la 25 februarie 2020]).
  14. 12 Thomas Krist: Hidraulică. În: formule și tabele cunoștințe de bază despre tehnologie. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 1997, ISBN 978-3-528-14976-5, pp. 197–208, doi: 10.1007/978-3-322-89910-1_16 (springer.com [accesat la 25 februarie 2020] ).
  15. ↑ BBC News: Naufragiul Mării Nordului în misterul metanului. 29 noiembrie 2000 (accesat la 23 iulie 2013).
  16. ↑ Hans-Joachim Schlichting (profesor de fizică)
  17. Al 12-leaJocuri, fizică și distracție. P. 87 (previzualizare limitată în căutarea Google Book).

„Paradoxul hidrostatic” ar trebui, de asemenea, formulat după cum urmează: Presiunea de jos este independentă de forma vasului și depinde doar de greutatea specifică a lichidului și de distanța verticală a nivelului lichidului de la fund.

-- Himmelbauer Josef, vineri, 15 noiembrie 2013, 19:07