Barang lain-lain berperilaku berbeda dalam cairan. Ada yang tenggelam, ada pula yang tetap berada di permukaan dan mengapung. Mengapa hal ini terjadi dijelaskan oleh hukum Archimedes, yang ia temukan dalam keadaan yang sangat tidak biasa dan menjadi hukum dasar hidrostatika.
Bagaimana Archimedes menemukan hukumnya
Legenda menceritakan kepada kita bahwa Archimedes menemukan hukumnya secara tidak sengaja. Dan penemuan ini didahului oleh peristiwa berikut.
Raja Hiero dari Syracuse, yang memerintah tahun 270-215. BC, mencurigai toko perhiasannya mencampurkan sejumlah perak ke dalam mahkota emas yang dipesannya. Untuk menghilangkan keraguan, dia meminta Archimedes membenarkan atau membantah kecurigaannya. Sebagai ilmuwan sejati, Archimedes terpesona dengan tugas ini. Untuk mengatasinya, perlu ditentukan berat mahkota. Lagi pula, jika perak dicampur ke dalamnya, maka beratnya akan berbeda dengan jika terbuat dari emas murni. Berat jenis emas telah diketahui. Namun bagaimana cara menghitung volume mahkota? Bagaimanapun, bentuk geometrisnya tidak beraturan.
Menurut legenda, suatu hari Archimedes, saat mandi, memikirkan suatu masalah yang harus dia selesaikan. Tiba-tiba, ilmuwan tersebut menyadari bahwa ketinggian air di bak mandi menjadi lebih tinggi setelah dia membenamkan dirinya di dalamnya. Saat naik, permukaan air turun. Archimedes memperhatikan bahwa dengan tubuhnya dia mengeluarkan sejumlah air dari bak mandi. Dan volume air ini sama dengan volume tubuhnya sendiri. Dan kemudian dia menyadari bagaimana memecahkan masalah mahkotanya. Cukup dengan merendamnya dalam bejana berisi air dan mengukur volume air yang dipindahkan. Mereka mengatakan bahwa dia sangat bahagia sehingga dia berteriak “Eureka!” (“Ketemu!”) melompat keluar dari bak mandi bahkan tanpa berpakaian.
Apakah ini benar-benar terjadi atau tidak, tidak masalah. Archimedes menemukan cara untuk mengukur volume benda dengan kompleks bentuk geometris. Dia pertama kali memperhatikan sifat-sifat benda fisik, yang disebut massa jenis, membandingkannya bukan satu sama lain, tetapi dengan berat air. Namun yang terpenting, hal itu terbuka bagi mereka prinsip daya apung .
Hukum Archimedes
Jadi, Archimedes menetapkan bahwa benda yang dicelupkan ke dalam zat cair memindahkan volume zat cair yang sama dengan volume benda itu sendiri. Jika hanya sebagian benda yang dicelupkan ke dalam zat cair, maka benda tersebut akan menggantikan zat cair yang volumenya sama dengan volume bagian yang dicelupkan saja.
Dan benda itu sendiri di dalam cairan dipengaruhi oleh gaya yang mendorongnya ke permukaan. Nilainya sama dengan berat fluida yang dipindahkannya. Kekuatan ini disebut oleh kekuatan Archimedes .
Untuk zat cair, hukum Archimedes terlihat seperti ini: suatu benda yang dicelupkan ke dalam zat cair dikenai gaya apung yang arahnya ke atas dan sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut.
Besarnya gaya Archimedes dihitung sebagai berikut:
FA = ρ ɡ V ,
Di mana ρ – kepadatan cairan,
ɡ - percepatan gravitasi
V – volume benda yang dicelupkan ke dalam zat cair, atau bagian volume benda yang terletak di bawah permukaan zat cair.
Gaya Archimedes selalu diterapkan pada pusat gravitasi volume dan arahnya berlawanan dengan gaya gravitasi.
Harus dikatakan bahwa agar hukum ini terpenuhi, satu syarat harus dipenuhi: benda berpotongan dengan batas cairan atau dikelilingi oleh cairan ini di semua sisinya. Untuk benda yang terletak di bagian bawah dan menyentuhnya secara kedap udara, hukum Archimedes tidak berlaku. Jadi, jika kita meletakkan sebuah kubus di bagian bawah, yang salah satu sisinya bersentuhan dekat dengan bagian bawah, kita tidak akan dapat menerapkan hukum Archimedes pada kubus tersebut.
Gaya Archimedes disebut juga kekuatan apung .
Gaya ini, pada dasarnya, adalah jumlah dari semua gaya tekanan yang bekerja dari zat cair pada permukaan benda yang terbenam di dalamnya. Gaya apung timbul dari perbedaan tekanan hidrostatis pada berbagai tingkat zat cair.
Mari kita perhatikan gaya ini dengan menggunakan contoh benda yang berbentuk kubus atau jajar genjang.
hal 2 – P 1 = ρ ɡ H
F A = F 2 – F 1 = ρɡhS = ρɡhV
Hukum Archimedes juga berlaku untuk gas. Namun dalam hal ini gaya apung disebut gaya angkat, dan untuk menghitungnya, massa jenis zat cair dalam rumusnya diganti dengan massa jenis gas.
Kondisi badan melayang
Perbandingan nilai gravitasi dan gaya Archimedes menentukan apakah suatu benda akan terapung, tenggelam atau terapung.
Jika gaya Archimedes dan gaya gravitasi sama besarnya, maka benda dalam zat cair berada dalam keadaan setimbang ketika benda tersebut tidak mengapung atau tenggelam. Dikatakan mengapung dalam cairan. Pada kasus ini F T = FA .
Jika gaya gravitasi lebih besar dari gaya Archimedes, maka benda akan tenggelam atau tenggelam.
Di Sini F T˃ FA.
Dan jika nilai gravitasi lebih kecil dari gaya Archimedes, maka benda akan mengapung. Ini terjadi ketika F T˂ FA .
Namun ia tidak melayang tanpa batas waktu, melainkan hanya sampai gaya gravitasi dan gaya Archimedes menjadi setara. Setelah itu, tubuh akan melayang.
Mengapa tidak semua mayat tenggelam?
Jika Anda memasukkan dua batang yang bentuk dan ukurannya sama ke dalam air, yang satu terbuat dari plastik dan yang lainnya terbuat dari baja, Anda akan melihat bahwa batang baja tersebut akan tenggelam, sedangkan batang plastik tersebut akan tetap terapung. Hal yang sama akan terjadi jika Anda mengambil benda lain ukuran yang sama dan bentuknya, tetapi beratnya berbeda, misalnya bola plastik dan logam. Bola logam akan tenggelam ke dasar, dan bola plastik akan mengapung.
Namun mengapa batang plastik dan baja berperilaku berbeda? Bagaimanapun, volumenya sama.
Ya, volumenya sama, tetapi batangannya sendiri terbuat dari bahan tersebut bahan yang berbeda, yang memiliki kepadatan berbeda. Dan jika massa jenis bahan lebih besar dari massa jenis air, maka balok akan tenggelam, dan jika massa jenis lebih kecil maka balok akan mengapung hingga mencapai permukaan air. Hal ini berlaku tidak hanya untuk air, tetapi juga untuk cairan lainnya.
Jika kita menyatakan massa jenis benda Pt , dan massa jenis medium tempatnya berada adalah sebagai hal , lalu jika
Pt˃Mzm (massa jenis benda lebih tinggi daripada massa jenis zat cair) – benda tenggelam,
Pt = Mzm (massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair) – benda terapung di dalam zat cair,
P t ˂ Ps (massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis zat cair) – benda terapung hingga mencapai permukaan. Setelah itu mengapung.
Hukum Archimedes tidak terpenuhi bahkan dalam keadaan tidak berbobot. Dalam hal ini, tidak ada medan gravitasi, dan karenanya, tidak ada percepatan gravitasi.
Sifat benda yang dicelupkan ke dalam zat cair agar tetap berada dalam kesetimbangan tanpa terapung atau tenggelam lebih jauh disebut kemampuan mengapung .
Seringkali penemuan-penemuan ilmiah merupakan hasil dari suatu kebetulan belaka. Namun hanya orang dengan pikiran terlatih yang dapat menghargai pentingnya suatu kebetulan sederhana dan menarik kesimpulan yang luas darinya. Itu berkat rantainya peristiwa acak Hukum Archimedes muncul dalam fisika, menjelaskan perilaku benda di air.
Tradisi
Di Syracuse, legenda dibuat tentang Archimedes. Suatu hari penguasa kota yang mulia ini meragukan kejujuran penjual perhiasannya. Mahkota yang dibuat untuk penguasa harus mengandung emas dalam jumlah tertentu. Archimedes ditugaskan untuk memeriksa fakta ini.
Archimedes menetapkan bahwa ada di udara dan air berat yang berbeda, dan perbedaannya berbanding lurus dengan massa jenis benda yang diukur. Dengan mengukur berat mahkota di udara dan air, dan melakukan eksperimen serupa dengan sepotong emas utuh, Archimedes membuktikan bahwa terdapat campuran logam yang lebih ringan pada mahkota yang diproduksi.
Menurut legenda, Archimedes menemukan hal ini di bak mandi sambil mengamati percikan air. Sejarah tidak menyebutkan apa-apa tentang apa yang terjadi selanjutnya pada pembuat perhiasan yang tidak jujur, tetapi kesimpulan ilmuwan Syracuse menjadi dasar salah satu dari hukum yang paling penting fisika, yang kita kenal sebagai hukum Archimedes.
Perumusan
Archimedes memaparkan hasil eksperimennya dalam karyanya “On Floating Bodies” yang sayangnya masih bertahan hingga saat ini hanya dalam bentuk pecahan. Fisika modern menggambarkan hukum Archimedes sebagai gaya kumulatif yang bekerja pada benda yang direndam dalam cairan. Gaya apung suatu benda dalam zat cair diarahkan ke atas; dia nilai mutlak sama dengan berat fluida yang dipindahkan.
Aksi cairan dan gas pada benda yang terendam
Setiap benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan mengalami gaya tekanan. Pada setiap titik pada permukaan benda, gaya-gaya tersebut diarahkan tegak lurus terhadap permukaan benda. Jika sama maka tubuh hanya akan mengalami kompresi. Namun gaya tekanan meningkat sebanding dengan kedalaman, sehingga permukaan bawah benda mengalami lebih banyak kompresi daripada permukaan atas. Anda dapat mempertimbangkan dan menjumlahkan semua gaya yang bekerja pada suatu benda di dalam air. Vektor terakhir arahnya akan diarahkan ke atas, dan benda akan terdorong keluar dari cairan. Besarnya gaya-gaya tersebut ditentukan oleh hukum Archimedes. Pengapungan jenazah sepenuhnya didasarkan pada undang-undang ini dan berbagai akibat yang ditimbulkannya. Gaya Archimedean juga bekerja pada gas. Berkat gaya apung inilah kapal udara terbang di langit dan balon: Perpindahan udara membuatnya lebih ringan dari udara.
Rumus fisik
Kekuatan Archimedes dapat ditunjukkan dengan jelas dengan penimbangan sederhana. Menimbang beban latihan di ruang hampa, di udara, dan di air, Anda dapat melihat bahwa bobotnya berubah secara signifikan. Dalam ruang hampa, beratnya sama, di udara sedikit lebih rendah, dan di air bahkan lebih rendah.
Jika kita mengambil berat suatu benda di ruang hampa sebagai P o, maka beratnya di udara dapat dijelaskan dengan rumus berikut: P in = P o - F a;
di sini P o - berat dalam ruang hampa;
Seperti dapat dilihat dari gambar, setiap tindakan yang melibatkan penimbangan dalam air akan meringankan benda secara signifikan, sehingga dalam kasus seperti itu gaya Archimedes harus diperhitungkan.
Untuk udara, perbedaan ini dapat diabaikan, sehingga biasanya berat benda yang dibenamkan di udara dijelaskan dengan rumus standar.
Massa jenis medium dan gaya Archimedes
Menganalisis eksperimen paling sederhana dengan berat badan di berbagai lingkungan, kita dapat sampai pada kesimpulan bahwa berat suatu benda di berbagai lingkungan bergantung pada massa benda dan kepadatan lingkungan perendaman. Selain itu, semakin padat mediumnya, semakin besar pula gaya Archimedesnya. Hukum Archimedes menghubungkan hubungan ini dan massa jenis zat cair atau gas tercermin dalam rumus akhirnya. Apa lagi yang mempengaruhi kekuatan ini? Dengan kata lain, hukum Archimedes bergantung pada ciri-ciri apa?
Rumus
Gaya Archimedean dan gaya yang mempengaruhinya dapat ditentukan dengan menggunakan deduksi logis sederhana. Mari kita asumsikan bahwa suatu benda dengan volume tertentu yang dicelupkan ke dalam zat cair terdiri dari zat cair yang sama dengan yang dicelupkan ke dalamnya. Asumsi ini tidak bertentangan dengan premis lain. Bagaimanapun, gaya yang bekerja pada suatu benda sama sekali tidak bergantung pada kepadatan benda tersebut. Dalam hal ini, kemungkinan besar benda akan berada dalam keseimbangan, dan gaya apung akan dikompensasi oleh gravitasi.
Dengan demikian, kesetimbangan suatu benda di dalam air akan digambarkan sebagai berikut.
Tetapi gaya gravitasi, dari kondisi tersebut, sama dengan berat zat cair yang dipindahkannya: massa zat cair sama dengan hasil kali massa jenis dan volume. Dengan mensubstitusi besaran yang diketahui, Anda dapat mengetahui berat suatu benda dalam zat cair. Parameter ini digambarkan sebagai ρV * g.
Mengganti nilai-nilai yang diketahui, kita mendapatkan:
Ini adalah hukum Archimedes.
Rumus yang kami peroleh menggambarkan massa jenis sebagai massa jenis benda yang diteliti. Tapi di kondisi awal Hal ini menunjukkan bahwa massa jenis suatu benda sama dengan massa jenis zat cair disekitarnya. Jadi, di rumus ini Anda dapat dengan aman mengganti nilai kepadatan cairan. Pengamatan visual bahwa dalam medium yang lebih padat gaya apungnya lebih besar telah mendapat pembenaran teoretis.
Penerapan Hukum Archimedes
Eksperimen pertama yang mendemonstrasikan hukum Archimedes telah dikenal sejak masa sekolah. Pelat logam tenggelam di dalam air, tetapi jika dilipat ke dalam kotak, pelat tersebut tidak hanya dapat bertahan, tetapi juga membawa beban tertentu. Aturan ini merupakan kesimpulan terpenting dari aturan Archimedes; aturan ini menentukan kemungkinan dibangunnya sungai dan kapal laut dengan mempertimbangkan kapasitas maksimumnya (perpindahan). Bagaimanapun, kepadatan air laut dan air tawar berbeda, dan kapal serta kapal selam harus memperhitungkan perubahan parameter ini saat memasuki muara sungai. Perhitungan yang salah dapat menyebabkan bencana - kapal akan kandas dan diperlukan upaya yang signifikan untuk mengangkatnya.
Hukum Archimedes juga diperlukan bagi kapal selam. Intinya adalah kepadatannya air laut mengubah nilainya tergantung pada kedalaman perendaman. Perhitungan kepadatan yang benar akan memungkinkan awak kapal selam menghitung dengan benar tekanan udara di dalam pakaian tersebut, yang akan mempengaruhi kemampuan manuver penyelam dan memastikan keselamatan penyelaman dan pendakiannya. Hukum Archimedes juga harus diperhitungkan ketika pengeboran laut dalam; rig pengeboran besar kehilangan hingga 50% beratnya, sehingga transportasi dan pengoperasiannya lebih murah.
Meskipun terdapat perbedaan nyata dalam sifat-sifat cairan dan gas, dalam banyak kasus perilakunya ditentukan oleh parameter dan persamaan yang sama, sehingga memungkinkan penggunaan pendekatan terpadu untuk mempelajari sifat-sifat zat ini.
Dalam mekanika, gas dan cairan dianggap sebagai media kontinu. Diasumsikan bahwa molekul-molekul suatu zat tersebar secara kontinyu pada bagian ruang yang ditempatinya. Dalam hal ini, massa jenis gas sangat bergantung pada tekanan, sedangkan untuk cairan situasinya berbeda. Biasanya, ketika memecahkan masalah, fakta ini diabaikan, dengan menggunakan konsep umum tentang fluida yang tidak dapat dimampatkan, yang massa jenisnya seragam dan konstan.
Definisi 1
Tekanan didefinisikan sebagai gaya normal $F$ yang bekerja pada bagian fluida per satuan luas $S$.
$ρ = \frac(\Delta P)(\Delta S)$.
Catatan 1
Tekanan diukur dalam pascal. Satu Pa sama dengan gaya sebesar 1 N yang bekerja per satuan luas 1 persegi. M.
Dalam keadaan setimbang, tekanan suatu zat cair atau gas dijelaskan oleh hukum Pascal, yang menyatakan bahwa tekanan pada permukaan zat cair yang dihasilkan oleh gaya luar diteruskan oleh zat cair secara merata ke segala arah.
Dalam kesetimbangan mekanik, tekanan fluida horizontal selalu sama; oleh karena itu, permukaan bebas cairan statis selalu horizontal (kecuali jika terjadi kontak dengan dinding bejana). Jika kita memperhitungkan kondisi ketidakmampuan zat cair, maka massa jenis medium yang dipertimbangkan tidak bergantung pada tekanan.
Bayangkan suatu volume zat cair tertentu yang dibatasi oleh silinder vertikal. Persilangan Mari kita nyatakan kolom cairan sebagai $S$, tingginya sebagai $h$, massa jenis cairan sebagai $ρ$, dan berat sebagai $P=ρgSh$. Maka yang berikut ini benar:
$p = \frac(P)(S) = \frac(ρgSh)(S) = ρgh$,
dimana $p$ adalah tekanan di dasar bejana.
Oleh karena itu, tekanan bervariasi secara linier terhadap ketinggian. Dalam hal ini, $ρgh$ adalah tekanan hidrostatik, perubahan yang menjelaskan munculnya gaya Archimedes.
Perumusan hukum Archimedes
Hukum Archimedes, salah satu hukum dasar hidrostatika dan aerostatika, menyatakan: suatu benda yang dicelupkan ke dalam zat cair atau gas dikenai gaya apung atau gaya angkat yang sama dengan berat volume zat cair atau gas yang dipindahkan oleh bagian benda tersebut. benda yang dicelupkan ke dalam zat cair atau gas.
Catatan 2
Munculnya gaya Archimedean disebabkan oleh kenyataan bahwa medium - cair atau gas - cenderung menempati ruang yang ditempati oleh benda yang terbenam di dalamnya; dalam hal ini tubuh didorong keluar dari lingkungan.
Oleh karena itu nama kedua untuk fenomena ini – daya apung atau gaya angkat hidrostatik.
Gaya apung tidak bergantung pada bentuk benda, komposisi benda, dan sifat-sifat lainnya.
Munculnya gaya Archimedean disebabkan adanya perbedaan tekanan lingkungan pada kedalaman yang berbeda. Misalnya, tekanan pada lapisan air yang lebih rendah selalu lebih besar daripada tekanan pada lapisan atas.
Manifestasi gaya Archimedes hanya mungkin terjadi dengan adanya gravitasi. Jadi, misalnya, di Bulan gaya apungnya akan enam kali lebih kecil dibandingkan di Bumi untuk benda dengan volume yang sama.
Munculnya Kekuatan Archimedes
Mari kita bayangkan media cair apa pun, misalnya air biasa. Mari kita secara mental memilih volume air sembarang pada permukaan tertutup $S$. Karena semua cairan berada dalam kesetimbangan mekanis, volume yang kita alokasikan juga statis. Artinya resultan dan momen kekuatan luar, yang memengaruhi volume terbatas ini, ambil nilai nol. Kekuatan eksternal masuk pada kasus ini– berat air dengan volume terbatas dan tekanan cairan di sekitarnya pada permukaan luar $S$. Ternyata resultan gaya tekanan hidrostatik $F$ yang dialami permukaan $S$ sama dengan berat volume zat cair yang dibatasi oleh permukaan $S$. Agar momen total gaya luar hilang, resultan $F$ harus diarahkan ke atas dan melewati pusat massa volume cairan yang dipilih.
Sekarang mari kita nyatakan bahwa alih-alih cairan terbatas bersyarat ini, benda padat dengan volume yang sesuai ditempatkan dalam medium. Jika kondisi keseimbangan mekanik terpenuhi, maka dari samping lingkungan tidak akan terjadi perubahan, termasuk tekanan yang bekerja pada permukaan $S$ akan tetap sama. Dengan demikian kita dapat memberikan rumusan hukum Archimedes yang lebih tepat:
Catatan 3
Jika suatu benda yang dicelupkan ke dalam zat cair berada dalam kesetimbangan mekanis, maka gaya apung tekanan hidrostatis bekerja padanya dari lingkungan sekitarnya, yang secara numerik sama dengan berat medium dalam volume yang dipindahkan oleh benda tersebut.
Gaya apung diarahkan ke atas dan melewati pusat massa benda. Jadi, menurut hukum Archimedes, gaya apung berlaku:
$F_A = ρgV$, dimana:
- $V_A$ - gaya apung, H;
- $ρ$ - massa jenis cairan atau gas, $kg/m^3$;
- $V$ - volume benda yang dicelupkan ke dalam medium, $m^3$;
- $g$ - percepatan jatuh bebas, $m/s^2$.
Gaya apung yang bekerja pada benda berlawanan arah dengan gaya gravitasi, oleh karena itu perilaku benda yang terendam dalam medium bergantung pada rasio modulus gravitasi $F_T$ dan gaya Archimedean $F_A$. Ada tiga kemungkinan kasus di sini:
- $F_T$ > $F_A$. Gaya gravitasi melebihi gaya apung, sehingga benda tenggelam/jatuh;
- $F_T$ = $F_A$. Gaya gravitasi disamakan dengan gaya apung, sehingga benda “menggantung” di dalam cairan;
- $F_T$
Hukum Archimedes adalah hukum statika zat cair dan gas, yang menyatakan bahwa benda yang dicelupkan ke dalam zat cair (atau gas) dikenai gaya apung yang sama dengan berat zat cair dalam volume benda.
Latar belakang
"Eureka!" (“Ditemukan!”) - ini adalah seruan, menurut legenda, yang dibuat oleh ilmuwan dan filsuf Yunani kuno Archimedes, yang menemukan prinsip represi. Legenda mengatakan bahwa raja Syracusan Heron II meminta pemikir untuk menentukan apakah mahkotanya terbuat dari emas murni tanpa merusak mahkota kerajaan itu sendiri. Menimbang mahkota Archimedes tidaklah sulit, tetapi ini tidak cukup - volume mahkota perlu ditentukan untuk menghitung kepadatan logam dari mana mahkota itu dibuat dan menentukan apakah itu emas murni. Kemudian, menurut legenda, Archimedes, yang sibuk memikirkan cara menentukan volume mahkota, terjun ke dalam bak mandi - dan tiba-tiba menyadari bahwa permukaan air di bak mandi telah meningkat. Dan kemudian ilmuwan tersebut menyadari bahwa volume tubuhnya menggantikan volume air yang sama, oleh karena itu, mahkota, jika diturunkan ke dalam baskom yang terisi penuh, akan menggantikan volume air yang sama dengan volumenya. Solusi untuk masalah tersebut ditemukan dan, menurut versi legenda yang paling umum, ilmuwan tersebut berlari untuk melaporkan kemenangannya ke istana kerajaan, bahkan tanpa repot-repot berpakaian.
Namun, apa yang benar tetap benar: Archimedes-lah yang menemukan prinsip daya apung. Jika suatu benda padat dicelupkan ke dalam zat cair, maka volume zat cair yang dipindahkan sama dengan volume bagian benda yang dicelupkan ke dalam zat cair tersebut. Tekanan yang tadinya bekerja pada zat cair yang dipindahkan kini akan bekerja pada benda padat yang memindahkannya. Dan, jika gaya apung yang bekerja vertikal ke atas ternyata lebih besar daripada gaya gravitasi yang menarik benda vertikal ke bawah, maka benda akan mengapung; jika tidak maka akan tenggelam (tenggelam). Berbicara bahasa modern, benda akan terapung jika kepadatan rata-rata lebih kecil dari massa jenis zat cair yang dibenamkannya.
Hukum Archimedes dan Teori Kinetik Molekuler
Dalam fluida yang diam, tekanan dihasilkan oleh tumbukan molekul yang bergerak. Ketika sejumlah cairan dipindahkan tubuh padat, dorongan ke atas dari tumbukan molekul tidak akan jatuh pada molekul cairan yang dipindahkan oleh benda, tetapi pada benda itu sendiri, yang menjelaskan tekanan yang diberikan padanya dari bawah dan mendorongnya ke permukaan cairan. Jika benda dicelupkan seluruhnya ke dalam zat cair, gaya apung akan terus bekerja padanya, karena tekanan meningkat seiring bertambahnya kedalaman, dan bagian bawah benda mendapat tekanan yang lebih besar daripada bagian atas, di situlah gaya apung. muncul. Inilah penjelasan tentang gaya apung pada tingkat molekuler.
Pola dorongan ini menjelaskan mengapa kapal yang terbuat dari baja, yang jauh lebih padat daripada air, tetap mengapung. Faktanya adalah volume air yang dipindahkan oleh sebuah kapal sama dengan volume baja yang terendam air ditambah volume udara yang terkandung di dalam lambung kapal di bawah garis air. Jika kita rata-ratakan massa jenis cangkang lambung dan udara di dalamnya, ternyata massa jenis kapal (sebagai benda fisik) lebih kecil dari massa jenis air, sehingga timbul gaya apung yang bekerja padanya. impuls ke atas dari tumbukan molekul air ternyata lebih tinggi dari gaya tarik gravitasi bumi, menarik kapal ke bawah - dan kapal mengapung.
Perumusan dan penjelasan
Fakta bahwa suatu gaya tertentu bekerja pada benda yang dicelupkan ke dalam air telah diketahui semua orang: benda yang berat tampaknya menjadi lebih ringan - misalnya, tubuh kita sendiri ketika dicelupkan ke dalam bak mandi. Saat berenang di sungai atau laut, Anda dapat dengan mudah mengangkat dan memindahkan batu-batu yang sangat berat di sepanjang dasar - batu yang tidak dapat diangkat di darat. Pada saat yang sama, benda ringan menolak untuk direndam dalam air: menenggelamkan bola seukuran semangka kecil membutuhkan kekuatan dan ketangkasan; Kemungkinan besar, bola dengan diameter setengah meter tidak dapat dibenamkan. Secara intuitif jelas bahwa jawaban atas pertanyaan mengapa suatu benda mengapung (dan benda lain tenggelam) berkaitan erat dengan pengaruh cairan terhadap benda yang terbenam di dalamnya; seseorang tidak dapat puas dengan jawaban bahwa benda ringan mengapung dan benda berat tenggelam: pelat baja, tentu saja, akan tenggelam di dalam air, tetapi jika Anda membuat kotak darinya, maka pelat tersebut dapat mengapung; Namun, berat badannya tidak berubah.
Adanya tekanan hidrostatis menghasilkan gaya apung yang bekerja pada benda apa pun dalam cairan atau gas. Archimedes adalah orang pertama yang menentukan nilai gaya ini dalam cairan secara eksperimental. Hukum Archimedes dirumuskan sebagai berikut: suatu benda yang dicelupkan ke dalam zat cair atau gas akan dikenakan gaya apung yang besarnya sama dengan berat banyaknya zat cair atau gas yang dipindahkan oleh bagian benda yang dicelupkan tersebut.
Rumus
Gaya Archimedes yang bekerja pada benda yang dicelupkan ke dalam zat cair dapat dihitung dengan rumus: F SEBUAH = ρf gV Jumat,
di mana ρl adalah massa jenis zat cair,
g – percepatan jatuh bebas,
Vpt adalah volume bagian tubuh yang dicelupkan ke dalam zat cair.
Perilaku suatu benda dalam zat cair atau gas bergantung pada hubungan antara modul gravitasi Ft dan gaya Archimedean FA yang bekerja pada benda tersebut. Tiga kasus berikut mungkin terjadi:
1) Ft > FA – badan tenggelam;
2) Ft = FA – benda terapung dalam cairan atau gas;
3) Kaki< FA – тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.