Плавучесть

Плавучесть ( / ˈ b ɔɪ ə n s i , ˈ b uː j ə n s i / ), [1] [2] или подъемная тяга , представляет собой восходящую силу , создаваемую жидкостью , которая противодействует весучастично или полностью погруженного объекта. В столбе жидкости давление увеличивается с глубиной из-за веса вышележащей жидкости. Таким образом, давление в нижней части столба жидкости больше, чем в верхней части колонны. Точно так же давление в нижней части объекта, погруженного в жидкость, больше, чем в верхней части объекта. Разность давлений приводит к чистой восходящей силе, действующей на объект. Величина силы пропорциональна разности давлений и (как объясняется принципом Архимеда ) эквивалентна весу жидкости, которая в противном случае занимала бы погруженный объем объекта, т . е. вытесненной жидкости.

По этой причине объект, средняя плотность которого больше плотности жидкости, в которую он погружен, имеет тенденцию тонуть. Если объект менее плотный, чем жидкость, сила может удерживать объект на плаву. Это может произойти только в неинерциальной системе отсчета , которая либо имеет гравитационное поле , либо ускоряется из-за силы, отличной от гравитации , определяющей направление «вниз». [3]

Плавучесть также относится к жидкостным смесям и является наиболее распространенной движущей силой конвекционных течений. В этих случаях математическое моделирование изменяется для применения к континуумам , но принципы остаются прежними. Примеры потоков, вызванных плавучестью, включают самопроизвольное разделение воздуха и воды или масла и воды.

Принцип Архимеда назван в честь Архимеда Сиракузского , который впервые открыл этот закон в 212 г. до н.э. [4] Для объектов, плавающих и затонувших, а также в газах, а также в жидкостях (т. е. жидкости ), принцип Архимеда может быть сформулирован следующим образом в терминах сил:

Любой предмет, полностью или частично погруженный в жидкость, поднимается вверх с силой, равной весу жидкости, вытесненной этим телом.

— с уточнениями, что для затонувшего объекта объем вытесненной жидкости — это объем объекта, а для плавающего на жидкости — вес вытесненной жидкости — это вес объекта. [5]

Силы, действующие в плавучести. Объект плавает в состоянии покоя, потому что направленная вверх сила плавучести равна направленной вниз силе тяжести .
Металлическая монета (старая монета британского фунта ) плавает в ртути из-за действующей на нее выталкивающей силы и кажется, что она плавает выше из-за поверхностного натяжения ртути.
Эксперимент «Мяч Галилея», показывающий различную плавучесть одного и того же объекта в зависимости от окружающей его среды. Мяч имеет определенную плавучесть в воде , но как только добавляется этанол (который менее плотный, чем вода), он снижает плотность среды, в результате чего мяч погружается глубже (уменьшая его плавучесть).
Распределение давления на погруженный куб
Силы на погруженном кубе
Аппроксимация произвольного объема группой кубов
Иллюстрация остойчивости тяжеловесных (слева) и тяжеловесных (справа) судов относительно положений их центров плавучести (ЦП) и тяжести (ЦТ)
Столбец плотности жидкостей и твердых веществ: детское масло , медицинский спирт (с красным пищевым красителем ), растительное масло , воск , вода (с синим пищевым красителем) и алюминий .