قانون ارشمیدس چگونه به نظر می رسد؟ در علم شروع کنید. چرا همه بدن ها غرق نمی شوند؟

متن اثر بدون تصویر و فرمول درج شده است.
نسخه کامل اثر در برگه «فایل‌های کاری» با فرمت PDF موجود است

معرفی

ارتباط:اگر نگاهی دقیق به دنیای اطراف خود بیندازید، می توانید بسیاری از رویدادهای اطراف خود را کشف کنید. از زمان های قدیم، انسان توسط آب احاطه شده است. هنگامی که ما در آن شنا می کنیم، بدن ما نیروهایی را به سطح زمین می راند. مدت‌هاست که این سوال را از خودم می‌پرسم: «چرا اجسام شناور می‌شوند یا غرق می‌شوند؟ آیا آب اجسام را بیرون می راند؟»

هدف کار پژوهشی من تعمیق دانش کسب شده در کلاس در مورد نیروی ارشمیدسی است. با استفاده از تجربه زندگی، مشاهدات واقعیت اطراف، به سوالاتی که به من علاقه دارد پاسخ دهید، آزمایشات خود را انجام دهم و نتایج آنها را توضیح دهم که دانش من را در مورد این موضوع گسترش می دهد. همه علوم به هم پیوسته اند. و هدف مشترك مطالعه همه علوم، انسان «به اضافه» فطرت است. من مطمئن هستم که مطالعه عملکرد نیروی ارشمیدسی امروز مرتبط است.

فرضیه:من فرض می کنم که در خانه می توانید مقدار نیروی شناور وارد بر جسم غوطه ور در مایع را محاسبه کنید و تعیین کنید که آیا بستگی به خواص مایع، حجم و شکل بدن دارد یا خیر.

موضوع مطالعه:نیروی شناوری در مایعات

وظایف:

مطالعه تاریخچه کشف نیروی ارشمیدسی؛

مطالعه ادبیات آموزشی در مورد عمل نیروی ارشمیدسی.

توسعه مهارت در انجام آزمایش های مستقل؛

ثابت کنید که مقدار نیروی شناور به چگالی مایع بستگی دارد.

روش های پژوهش:

پژوهش؛

محاسبه شد؛

جستجوی اطلاعات؛

مشاهدات

1. کشف قدرت ارشمیدس

یک افسانه معروف وجود دارد که چگونه ارشمیدس در خیابان دوید و فریاد زد "اورکا!" این فقط داستان کشف او را بیان می کند که نیروی شناور آب برابر است با وزن آب جابجا شده توسط آن، که حجم آن برابر با حجم جسم غوطه ور در آن است. این کشف قانون ارشمیدس نام دارد.

در قرن سوم قبل از میلاد، هیرو، پادشاه شهر یونان باستان سیراکوز در آنجا زندگی می کرد و می خواست تاج جدیدی از طلای خالص برای خود بسازد. آن را دقیقاً به اندازه نیاز اندازه گرفتم و سفارش را به جواهرفروش دادم. یک ماه بعد استاد طلا را به شکل تاج برگرداند و به اندازه جرم طلای داده شده وزن داشت. اما هر چیزی ممکن است اتفاق بیفتد، و استاد می‌توانست با افزودن نقره یا حتی بدتر از آن، مس تقلب کند، زیرا شما نمی‌توانید تفاوت را با چشم تشخیص دهید، اما جرم همان چیزی است که باید باشد. و شاه می خواهد بداند: آیا کار صادقانه انجام شد؟ و سپس از دانشمند ارشمیدس خواست تا بررسی کند که آیا استاد تاج خود را از طلای خالص ساخته است یا خیر. همانطور که مشخص است، جرم یک جسم برابر است با حاصل ضرب چگالی ماده ای که جسم از آن ساخته شده و حجم آن: . اگر اجسام مختلف جرم یکسانی داشته باشند، اما از مواد مختلف ساخته شده باشند، حجم آنها متفاوت است. اگر استاد نه یک تاج جواهر ساخته که به دلیل پیچیدگی آن تعیین حجم آن غیرممکن است، بلکه یک تکه فلز به همان شکلی که شاه به او داده بود، به پادشاه برمی‌گرداند، بلافاصله مشخص می‌شد. آیا او فلز دیگری را در آن مخلوط کرده بود یا نه. و در حین حمام کردن، ارشمیدس متوجه شد که آب از آن بیرون می ریزد. او مشکوک بود که دقیقاً به همان حجمی می‌ریزد که قسمت‌های بدنش در آب غوطه‌ور شده بود. و به ارشمیدس رسید که حجم تاج را می توان با حجم آب جابجا شده توسط آن تعیین کرد. خوب، اگر بتوانید حجم تاج را اندازه گیری کنید، می توان آن را با حجم یک تکه طلا با جرم مساوی مقایسه کرد. ارشمیدس تاج را در آب غوطه ور کرد و میزان افزایش حجم آب را اندازه گرفت. او همچنین یک قطعه طلا را در آب فرو برد که جرم آن به اندازه تاج بود. و سپس میزان افزایش حجم آب را اندازه گرفت. حجم آب جابجا شده در دو مورد متفاوت بود. بنابراین، استاد به عنوان یک فریبکار آشکار شد و علم با یک کشف قابل توجه غنی شد.

از تاریخ مشخص است که مشکل تاج طلایی ارشمیدس را بر آن داشت تا مسئله شناور بودن اجسام را مطالعه کند. آزمایش های انجام شده توسط ارشمیدس در مقاله "درباره اجسام شناور" که به دست ما رسیده است شرح داده شده است. جمله هفتم (قضیه) این اثر توسط ارشمیدس به صورت زیر بیان شده است: اجسام سنگین تر از مایع که در این مایع غوطه ور هستند، تا زمانی که به ته آن برسند فرو می روند و در مایع به نسبت وزن مایع سبک تر می شوند. در حجمی برابر با حجم جسم غوطه ور شده است.

جالب است که نیروی ارشمیدس زمانی صفر است که جسم غوطه ور در مایعی با تمام قاعده اش به ته فشار داده شود.

کشف قانون اساسی هیدرواستاتیک بزرگترین دستاورد علم باستان است.

2. تدوین و توضیح قانون ارشمیدس

قانون ارشمیدس تأثیر مایعات و گازها را بر جسم غوطه ور در آنها توصیف می کند و یکی از قوانین اصلی هیدرواستاتیک و استاتیک گاز است.

قانون ارشمیدس به صورت زیر فرموله شده است: جسمی که در یک مایع (یا گاز) غوطه ور شده است با نیروی شناوری برابر با وزن مایع (یا گاز) در حجم قسمت غوطه ور شده بدن بر روی آن اثر می گذارد. تماس گرفت به قدرت ارشمیدس:

,

چگالی مایع (گاز) کجاست، شتاب گرانش است، حجم قسمت زیر آب بدن (یا بخشی از حجم بدن واقع در زیر سطح) است.

در نتیجه، نیروی ارشمیدسی تنها به چگالی مایعی که جسم در آن غوطه ور است و به حجم این جسم بستگی دارد. اما به عنوان مثال، به چگالی ماده یک جسم غوطه ور در مایع بستگی ندارد، زیرا این مقدار در فرمول حاصل گنجانده نشده است.

لازم به ذکر است که بدن باید کاملاً توسط مایع احاطه شود (یا با سطح مایع قطع شود). بنابراین، برای مثال، قانون ارشمیدس را نمی توان در مورد مکعبی که در ته یک مخزن قرار دارد و به طور هرمتیک کف آن را لمس می کند، اعمال کرد.

3. تعریف نیروی ارشمیدس

با استفاده از این دستگاه می توان نیرویی را که با آن جسم در یک مایع رانده می شود به صورت تجربی تعیین کرد:

یک سطل کوچک و یک بدنه استوانه ای شکل را به فنری که روی سه پایه نصب شده آویزان می کنیم. کشش فنر را با یک تیر روی سه پایه مشخص می کنیم و وزن بدن را در هوا نشان می دهیم. پس از بلند کردن بدن، یک لیوان با یک لوله زهکشی زیر آن قرار می دهیم که تا سطح لوله زهکشی با مایع پر شده است. پس از آن بدن به طور کامل در مایع غوطه ور می شود. در این حالت قسمتی از مایع که حجم آن برابر با حجم بدنه است از ظرف ریخته گری داخل لیوان می ریزند. نشانگر فنر بالا می رود و فنر منقبض می شود که نشان دهنده کاهش وزن بدن در مایع است. در این حالت همراه با نیروی گرانش، نیرویی نیز بر جسم وارد می شود که آن را از مایع بیرون می راند. اگر مایعی از یک لیوان داخل سطل (یعنی مایعی که توسط بدنه جابجا شده است) ریخته شود، نشانگر فنری به موقعیت اولیه خود باز می گردد.

بر اساس این آزمایش، می‌توان نتیجه گرفت که نیروی بیرون راندن جسمی که کاملاً در یک مایع غوطه‌ور شده است، برابر با وزن مایع در حجم این جسم است. وابستگی فشار در مایع (گاز) به عمق غوطه وری جسم منجر به ظهور نیروی شناوری (نیروی ارشمیدس) می شود که بر هر جسم غوطه ور در مایع یا گاز تأثیر می گذارد. هنگامی که جسمی شیرجه می‌زند، تحت تأثیر گرانش به سمت پایین حرکت می‌کند. نیروی ارشمیدسی همیشه مخالف نیروی گرانش است، بنابراین وزن جسم در مایع یا گاز همیشه کمتر از وزن این جسم در خلاء است.

این آزمایش تأیید می کند که نیروی ارشمیدسی برابر با وزن مایع در حجم بدن است.

4. وضعیت اجسام شناور

جسمی که در داخل مایع قرار دارد توسط دو نیرو وارد می شود: نیروی گرانش که به صورت عمودی به سمت پایین هدایت می شود و نیروی ارشمیدسی که به صورت عمودی به سمت بالا هدایت می شود. بیایید در نظر بگیریم که اگر بدن تحت تأثیر این نیروها در ابتدا بی حرکت بود چه اتفاقی می افتد.

در این صورت سه حالت ممکن است:

1) اگر نیروی گرانش از نیروی ارشمیدس بیشتر باشد، جسم پایین می‌رود، یعنی فرو می‌رود.

، سپس بدن غرق می شود.

2) اگر مدول گرانش برابر با مدول نیروی ارشمیدس باشد، آنگاه جسم می تواند در هر عمقی در داخل مایع در تعادل باشد:

، سپس بدن شناور می شود.

3) اگر نیروی ارشمیدسی از نیروی گرانش بیشتر باشد، جسم از مایع بلند می شود - شناور:

، سپس بدن شناور می شود.

اگر یک جسم شناور تا حدی از سطح مایع بیرون بزند، حجم قسمت غوطه ور شده جسم شناور به اندازه ای است که وزن مایع جابجا شده با وزن جسم شناور برابر است.

اگر چگالی مایع بیشتر از چگالی جسم غوطه ور در مایع باشد، نیروی ارشمیدسی از گرانش بیشتر است.

1) =- جسمی در مایع یا گاز شناور است، 2) >- بدن غرق می شود، 3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

این اصول رابطه بین گرانش و نیروی ارشمیدس است که در کشتیرانی استفاده می شود. با این حال، کشتی های بزرگ رودخانه ای و دریایی ساخته شده از فولاد، که چگالی آنها تقریباً 8 برابر بیشتر از چگالی آب است، روی آب شناور می شوند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که فقط بدنه نسبتاً نازک کشتی از فولاد ساخته شده است و بیشتر حجم آن توسط هوا اشغال شده است. میانگین چگالی کشتی به طور قابل توجهی کمتر از چگالی آب است. بنابراین نه تنها غرق نمی شود، بلکه می تواند حجم زیادی بار را برای حمل و نقل بپذیرد. کشتی هایی که در رودخانه ها، دریاچه ها، دریاها و اقیانوس ها حرکت می کنند از مواد مختلف با تراکم های متفاوت ساخته شده اند. بدنه کشتی ها معمولا از ورق های فولادی ساخته می شود. تمام بست های داخلی که به کشتی ها استحکام می بخشد نیز از فلز ساخته شده اند. برای ساخت کشتی ها از مواد مختلفی استفاده می شود که هم چگالی بالاتر و هم کمتری نسبت به آب دارند. وزن آب جابجا شده توسط قسمت زیر آبی کشتی برابر با وزن کشتی با محموله در هوا یا نیروی گرانش وارد بر کشتی همراه با محموله است.

برای هوانوردی ابتدا از بالون هایی استفاده شد که قبلاً با هوای گرم شده پر می شدند و اکنون با هیدروژن یا هلیوم. برای اینکه توپ به هوا بلند شود، لازم است که نیروی ارشمیدسی (شناوری) وارد بر توپ بیشتر از نیروی گرانش باشد.

5. انجام آزمایش

بررسی رفتار تخم مرغ خام در انواع مایعات.

هدف: اثبات اینکه مقدار نیروی شناور به چگالی مایع بستگی دارد.

من یک تخم مرغ خام و انواع مایعات گرفتم (پیوست 1):

آب تمیز است؛

آب اشباع شده با نمک؛

روغن آفتابگردان.

ابتدا تخم مرغ خام را در آب تمیز فرو بردم - تخم مرغ غرق شد - "به پایین فرو رفت" (ضمیمه 2). سپس یک قاشق غذاخوری نمک خوراکی را به یک لیوان آب تمیز اضافه کردم، در نتیجه تخم مرغ شناور می شود (پیوست 3). و در نهایت، من تخم مرغ را در یک لیوان با روغن آفتابگردان پایین آوردم - تخم مرغ به پایین فرو رفت (ضمیمه 4).

نتیجه گیری: در حالت اول، چگالی تخم مرغ بیشتر از چگالی آب است و در نتیجه تخم مرغ غرق می شود. در حالت دوم، چگالی آب نمک بیشتر از چگالی تخم مرغ است، بنابراین تخم مرغ در مایع شناور می شود. در حالت سوم، چگالی تخم مرغ نیز از چگالی روغن آفتابگردان بیشتر است، بنابراین تخم مرغ غرق شد. بنابراین، هر چه چگالی مایع بیشتر باشد، نیروی گرانش کمتر است.

2. اثر نیروی ارشمیدسی بر بدن انسان در آب.

چگالی بدن انسان را به طور تجربی تعیین کنید، آن را با چگالی آب شیرین و دریا مقایسه کنید و در مورد توانایی اساسی یک فرد در شنا نتیجه بگیرید.

وزن یک فرد در هوا و نیروی ارشمیدسی وارد بر یک فرد در آب را محاسبه کنید.

ابتدا وزن بدنم را با ترازو اندازه گرفتم. سپس حجم بدن را (بدون حجم سر) اندازه گرفت. برای این کار به اندازه ای آب داخل حمام ریختم به طوری که وقتی در آب فرو رفتم (به جز سرم) کاملاً در آب فرو رفتم. در مرحله بعد، با استفاده از یک نوار سانتی متر، فاصله لبه بالایی حمام را تا سطح آب ℓ 1، و سپس زمانی که در آب ℓ 2 غوطه ور شدم، مشخص کردم. پس از آن، با استفاده از یک شیشه سه لیتری از پیش فارغ التحصیل شده، شروع به ریختن آب به داخل حمام از سطح ℓ 1 تا سطح ℓ 2 کردم - اینگونه حجم آبی را که جابجا کردم اندازه گرفتم (پیوست 5). من چگالی را با استفاده از فرمول محاسبه کردم:

نیروی گرانش وارد بر جسمی در هوا با فرمول زیر محاسبه شد: شتاب سقوط آزاد ≈ 10 کجاست. مقدار نیروی شناوری با استفاده از فرمول شرح داده شده در بند 2 محاسبه شد.

نتیجه گیری: بدن انسان از آب شیرین چگال تر است، یعنی در آن غرق می شود. شنا کردن در دریا برای انسان راحت تر از رودخانه است، زیرا چگالی آب دریا بیشتر است و بنابراین نیروی شناوری بیشتر است.

نتیجه

در روند کار روی این موضوع، چیزهای جدید و جالب زیادی یاد گرفتیم. دامنه دانش ما نه تنها در زمینه عمل قدرت ارشمیدس، بلکه در کاربرد آن در زندگی نیز افزایش یافته است. قبل از شروع کار، تصوری دور از جزئیات در مورد آن داشتیم. در طی آزمایشات، ما به طور تجربی اعتبار قانون ارشمیدس را تأیید کردیم و متوجه شدیم که نیروی شناوری به حجم جسم و چگالی مایع بستگی دارد. نیروی حاصل که رفتار جسم را در مایع تعیین می کند به جرم، حجم جسم و چگالی مایع بستگی دارد.

علاوه بر آزمایش‌های انجام‌شده، ادبیات بیشتری در مورد کشف نیروی ارشمیدس، در مورد شناور بودن اجسام و هوانوردی مورد مطالعه قرار گرفت.

هر یک از شما می توانید اکتشافات شگفت انگیزی داشته باشید و برای این کار نیازی به داشتن دانش خاص یا تجهیزات قدرتمند ندارید. فقط باید کمی با دقت بیشتری به دنیای اطرافمان نگاه کنیم، در قضاوت هایمان کمی مستقل تر باشیم و اکتشافات شما را منتظر نخواهند گذاشت. بی میلی اکثر مردم برای کاوش در دنیای اطرافشان، فضای زیادی را برای کنجکاوها در غیرمنتظره ترین مکان ها باقی می گذارد.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. کتاب بزرگ آزمایشات برای دانش آموزان - M.: Rosman, 2009. - 264 p.

2. ویکی پدیا: https://ru.wikipedia.org/wiki/Archimedes_Law.

3. Perelman Ya.I. فیزیک سرگرم کننده - کتاب 1. - اکاترینبورگ.: پایان نامه، 1994.

4. Perelman Ya.I. فیزیک سرگرم کننده - کتاب 2. - یکاترینبورگ.: پایان نامه، 1994.

5. Peryshkin A.V. فیزیک: کلاس هفتم: کتاب درسی موسسات آموزشی / A.V. پریشکین. - چاپ شانزدهم، کلیشه. - M.: Bustard, 2013. - 192 p.: ill.

پیوست 1

ضمیمه 2

پیوست 3

ضمیمه 4

پیش نویس کشتی

سعی کنید یک قایق را از پوست غلیظ کاج جدا کنید. کف آن باید مجهز به یک کیل ساخته شده از یک صفحه آهنی باشد. قایق را روی آب بگذارید و در امتداد مرز غوطه ور شدن آن (با رنگ روغن قرمز) خطی بکشید. پس از درست کردن محلول نمک، این محلول را در یک لگن عمیق بریزید و دوباره اجازه دهید قایق در آن شناور شود. عمق غوطه ور شدن آن در آب نمک باید دوباره با یک خط مشخص شود، فقط رنگ متفاوت (سفید، آبی). چگونه می توان عمق های مختلف غواصی قایق را در حالت اول و دوم توضیح داد؟

آیا تخم مرغ شناور می شود؟

یک تخم مرغ خام تازه را در یک شیشه آب قرار دهید. تخم مرغ غرق خواهد شد. نمک را به آب اضافه کنید، کمی هم بزنید، تخم مرغ را لمس نکنید. با افزایش شوری آب، تخم مرغ شروع به شناور شدن می کند و با محلول نمک اشباع شده، تخم مرغ روی سطح آب شناور می شود.

چوب پنبه در بطری

اگر یک چوب پنبه کوچک را در یک بطری آب قرار دهید و سپس سعی کنید این چوب پنبه را با آب از بطری بریزید، این همیشه موفقیت آمیز نیست.

هر بار که آب بیرون می ریزد، چوب پنبه به ته بطری میخکوب می شود. و فقط با آخرین قسمت آب می توانید چوب پنبه را از بطری بریزید.
سعی کنید این را تست کنید و توضیح دهید!

شمعدان آب

یک شمع استئارین را در آب بیندازید. او دراز کشیده به پهلو شنا خواهد کرد. اینطوری نمیشه شمع روشن کرد باید انتهای پایینی را با میخ وزن کنید. فقط سعی نکنید این میخ را به زور وارد کنید: استئارین خرد می شود. میخ باید گرم شود، بعد مثل روغن داخل می شود و خوب می ماند.

میخی را طوری انتخاب کنید که تقریباً کل شمع در آب غوطه ور شود. فقط فتیله و لبه استئارین باید بالای سطح باقی بماند. لیوان آبی که این شمع در آن شناور است، شمعدان خوبی خواهد بود. فتیله را روشن کنید و شمع برای مدت طولانی می سوزد.

اما چرا؟ و چه مدت شمع می سوزد؟
پس از همه، قرار است به آب بسوزد و بیرون برود؟
اما این اتفاق نمی افتد. آب استئارین را از بیرون خنک می کند. بنابراین لبه های شمع کندتر آب می شود و قیف عمیقی در اطراف فتیله ایجاد می شود. شمع به یک قایق استرین تبدیل می شود، به تدریج شناور می شود. و اگرچه استئارین کمتر و کمتری باقی می ماند، حتی یک خاکستر کوچک وزن شده با میخ نیز فرو نمی رود. شمع تقریباً تا انتها خواهد سوخت.

چگونه این پدیده را توضیح دهیم؟
در طی فرآیند احتراق، جاذبه شمع به تدریج کاهش می یابد. برای متعادل شدن آن، نیروی شناور باید کاهش یابد و این تنها با بالا آمدن شمع امکان پذیر است.

به هر حال، شمعدان ما یک مزیت مهم دارد. شمع سوخته هرگز آتش را روشن نمی کند: فتیله با آب خاموش می شود.

غرق شدن یا شناور شدن

یک بطری شیشه ای کوچک دارو بردارید و آن را با آب کافی پر کنید تا نیروی جاذبه بطری همراه با آب موجود در آن کمی بیشتر از نیروی شناوری باشد. بطری را وارونه در یک لیوان بلند آب قرار دهید تا غرق شود. لیوان را گرم کنید.

چرا حباب بعد از مدتی بلند می شود؟
هنگام گرم شدن، فشار هوا در حباب افزایش می یابد و مقداری از آب از آن خارج می شود. گرانش کل حباب آب کمتر از نیروی شناور می شود و حباب شناور می شود.

مخصوصاً برای افرادی که در حال غرق شدن هستند

شما اغلب می توانید مشاهده کنید که چگونه یک فرد در حال غرق شدن که برای کمک گریه می کند، دستان خود را از آب بلند می کند.
آیا او کار درستی انجام می دهد؟

معلوم می شود که نه. این را می توان با تجربه تأیید کرد. برای آزمایش، یک لوله آزمایش با درپوش بردارید. یک سیم را در چوب پنبه قرار دهید که در انتهای آن دو چوب چوبی - کبریت وصل کنید. آب یا کسری را به لوله آزمایش اضافه کنید یا یک تکه پلاستیک بگذارید.

دو چوب و چوب پنبه به ترتیب نشان دهنده دست ها و سر یک فرد هستند. اگر چوب ها به سمت بالا بلند شوند، وقتی لوله آزمایش داخل آب پایین می آید، درپوش زیر آب قرار می گیرد (A). چوب ها را به سمت پایین خم کنید. اگر اکنون لوله آزمایش را داخل آب پایین بیاورید، درپوش بالای آب ظاهر می شود (B).

پدیده مشاهده شده را چگونه توضیح می دهید؟
این لوله آزمایش مانند جسمی است که روی سطح آب شناور است. نیروی گرانش آن توسط نیروی ارشمیدسی متعادل می شود، برابر با نیروی گرانش آب جابجا شده توسط لوله آزمایش. علاوه بر این، بخشی از حجم لوله آزمایش بالای آب است. در حالت اول، برابر با حجم چوب های بالای آب است، در حالت دوم، با بخشی از چوب پنبه تعیین می شود.

تجربه با مسابقات

چند کبریت را به مدت یک روز در آب نگه دارید. سپس آنها را در یک بطری پر از آب قرار دهید. یک درپوش پلاستیکی به شکل انگشتانه بردارید و آن را روی انگشت اشاره خود قرار دهید. گردن بطری را با چوب پنبه ببندید و از طریق چوب پنبه به آب فشار بیاورید. با افزایش فشار، کبریت ها با کاهش فشار، شناور می شوند. با تغییر فشار می توانید آنها را در هر عمقی در آب شناور کنید.

چگونه این را توضیح دهیم؟
این پدیده با قانون پاسکال و نیروی ارشمیدسی توضیح داده می شود. داخل کبریت ها حباب های هوا وجود دارد. با افزایش فشار، حباب ها کاهش می یابد. گرانش کل کبریت ها با آب بیشتر از نیروی شناور می شود و غرق می شوند. با کاهش فشار، حجم حباب ها افزایش می یابد. گرانش کل کبریت ها با آب کمتر از نیروی شناور می شود و شناور می شوند.

"تخم مرغ شگفت انگیز"

تخم مرغ را در یک ظرف شیشه ای نیمه پر از مایع قرار دهید. روی سطح شناور می شود.

اگر به ظرف آب اضافه کنید چه اتفاقی برای تخم مرغ می افتد؟
پاسخ معمول این است که تخم مرغ شناور خواهد شد. با احتیاط از قیف کنار ظرف آب بریزید تا پر شود. تخم مرغ، در کمال تعجب مخاطب، در سطح قدیمی (ارتفاع) باقی می ماند.

چرا؟
ابتدا محلول آبی نمک خوراکی داخل ظرف ریخته شد که تخم مرغ روی سطح آن شناور بود. سپس آب اضافه شد که چگالی آن کمتر از چگالی تخم مرغ بود. این آزمایش را می توان با سیب زمینی انجام داد.

آیا بشقاب غرق می شود؟

یک نعلبکی بردارید و آن را در لبه آب پایین بیاورید، غرق می شود. اگر نعلبکی را با کف آن در آب فرو ببرید، روی سطح شناور می شود.

چرا؟
چگالی ظروف چینی یا سفالی بیشتر از آب است، بنابراین وقتی نعلبکی روی لبه آن پایین می آید، فرو می رود.
هنگامی که ته نعلبکی روی آب پایین می آید، آن را تا عمقی در آب غوطه ور می کنند که حجم آب جابجا شده بر اثر گرانش برابر با گرانش نعلبکی است، که مطابق با وضعیت اجسام شناور روی آب است. سطح آب

معمای ترازو

یک مداد گرد را روی میز قرار دهید و دو سر آن را با نوار چسب محکم کنید. تقریباً به همان مقدار آب در دو لیوان بریزید و یک خط کش (ترجیحاً چوبی که خم نشود) روی مداد قرار دهید و لیوان ها را با آب روی انتهای این خط کش قرار دهید. خط کش یا لیوان ها را کمی حرکت دهید، اما اطمینان حاصل کنید که کل سیستم در تعادل است و هیچ یک از لیوان ها به میز برخورد نمی کند. نتیجه یک ترازو متعادل است.

حالا به این سوال پاسخ دهید: اگر انگشت خود را بدون دست زدن به یکی از لیوان ها وارد کنید، کدام یک از لیوان ها برنده می شود؟
یا شاید هیچ چیز تغییر نکند؟
چرا؟

حالا پاسخ خود را بررسی کنید. بله، بله، انگشت خود را در آب فرو کنید، فقط به دیوارها دست نزنید.
و سوال آخر: اگر ماکت انگشت خود را از پلاستیکین داخل آب بگذارید چه؟ و از چوب؟ سرب چطور؟

اگر انگشت خود را به یک لیوان بچسبانید، می بینید که آبی که آن را جابجا می کند از سطح قبلی خود بالاتر می رود. به این معنی که اگر این آب جابجا شده به سادگی از لیوان ریخته می شد، وزن آن (با انگشتی که حجم آب جابجا شده را پر می کند) تغییر نمی کرد. اما آب جابجا شده توسط انگشت هنوز اینجاست، در لیوان، یعنی وزن این لیوان بیشتر از دیگری است و دقیقاً به وزن حجم آب جابجا شده است. و اصلاً مهم نیست که این حجم را با انگشت خودمان جابجا کرده باشیم، یک کپی از آن از پلاستیک ساخته شده باشد، یا از چوب یا سرب.

منابع: L.A. گوروف "آزمایش های سرگرم کننده در فیزیک"؛ F. Rabiza "آزمایش بدون ابزار"

یکی از اولین قوانین فیزیکی مورد مطالعه دانش آموزان دبیرستانی است. هر بزرگسالی حداقل تقریباً این قانون را به خاطر می آورد، مهم نیست که چقدر از فیزیک دور باشد. اما گاهی اوقات بازگشت به تعاریف و فرمول های دقیق - و درک جزئیات این قانون که ممکن است فراموش شده باشد مفید است.

قانون ارشمیدس چه می گوید؟

افسانه ای وجود دارد که دانشمند یونان باستان قانون معروف خود را هنگام حمام کردن کشف کرد. ارشمیدس پس از فرو رفتن در ظرفی پر از آب، متوجه شد که آب به بیرون پاشیده است - و یک قیامت را تجربه کرد و فوراً جوهر کشف را شکل داد.

به احتمال زیاد، در واقعیت وضعیت متفاوت بود و قبل از این کشف مشاهدات طولانی انجام شد. اما این چندان مهم نیست، زیرا در هر صورت، ارشمیدس موفق شد الگوی زیر را کشف کند:

• با فرو رفتن در هر مایعی، اجسام و اجسام چندین نیروی چند جهتی را به طور همزمان تجربه می کنند، اما عمود بر سطح آنها.
• بردار نهایی این نیروها به سمت بالا هدایت می شود، بنابراین هر جسم یا جسمی که خود را در مایعی در حال سکون پیدا می کند، فشار را تجربه می کند.
• در این حالت نیروی شناوری دقیقاً برابر با ضریبی است که حاصل ضرب حجم جسم و چگالی مایع در شتاب سقوط آزاد به دست می آید.

بنابراین، ارشمیدس ثابت کرد که جسمی که در یک مایع غوطه ور است، حجمی از مایع را که برابر با حجم خود بدن است، جابه جا می کند. اگر فقط قسمتی از بدن در مایعی غوطه ور شود، مایع را جابجا می کند که حجم آن تنها با حجم آن قسمتی که غوطه ور می شود، می شود.

همین اصل در مورد گازها نیز صدق می کند - فقط در اینجا حجم بدن باید با چگالی گاز مرتبط باشد.

شما می توانید یک قانون فیزیکی را کمی ساده تر فرموله کنید - نیرویی که یک جسم را از مایع یا گاز بیرون می راند دقیقاً برابر با وزن مایع یا گازی است که توسط این جسم در هنگام غوطه وری جابجا شده است.

قانون به شکل فرمول زیر نوشته شده است:

اهمیت قانون ارشمیدس چیست؟

الگوی کشف شده توسط دانشمند یونان باستان ساده و کاملاً واضح است. اما در عین حال نمی توان اهمیت آن را برای زندگی روزمره دست بالا گرفت.

به لطف دانش هل دادن اجسام توسط مایعات و گازها است که می‌توانیم کشتی‌های رودخانه‌ای و دریایی و همچنین کشتی‌های هوایی و بالون‌هایی برای هوانوردی بسازیم. کشتی های فلزی سنگین غرق نمی شوند زیرا در طراحی آنها قانون ارشمیدس و عواقب متعدد آن در نظر گرفته شده است - آنها به گونه ای ساخته شده اند که بتوانند روی سطح آب شناور شوند و غرق نشوند. هوانوردی بر اساس یک اصل مشابه عمل می کند - آنها از شناوری هوا استفاده می کنند و در فرآیند پرواز سبک تر می شوند.

به نظر می رسد که هیچ چیز ساده تر از قانون ارشمیدس وجود ندارد. اما روزی روزگاری خود ارشمیدس واقعاً در مورد کشف خود متحیر بود. چطور بود؟

داستان جالبی در ارتباط با کشف قانون اساسی هیدرواستاتیک وجود دارد.

حقایق و افسانه های جالب از زندگی و مرگ ارشمیدس

علاوه بر پیشرفت عظیمی مانند کشف خود قانون ارشمیدس، این دانشمند فهرست کاملی از شایستگی ها و دستاوردها دارد. به طور کلی او نابغه ای بود که در رشته های مکانیک، نجوم و ریاضیات کار می کرد. او آثاری مانند رساله "در مورد اجسام شناور"، "در توپ و استوانه"، "در مارپیچ"، "در مورد مخروط ها و کروی ها" و حتی "درباره دانه های شن" نوشت. آخرین کار تلاش برای اندازه گیری تعداد دانه های شن مورد نیاز برای پر کردن جهان است.

نقش ارشمیدس در محاصره سیراکوز

در سال 212 قبل از میلاد سیراکوز توسط رومیان محاصره شد. ارشمیدس ۷۵ ساله منجنیق‌های قدرتمند و ماشین‌های پرتابی سبک با برد کوتاه و همچنین به اصطلاح «پنجه‌های ارشمیدس» را طراحی کرد. با کمک آنها می توان به معنای واقعی کلمه کشتی های دشمن را زیر و رو کرد. رومیان در مواجهه با چنین مقاومت قدرتمند و تکنولوژیکی نتوانستند شهر را با طوفان تصرف کنند و مجبور به محاصره شدند. طبق افسانه ای دیگر، ارشمیدس با استفاده از آینه ها موفق شد ناوگان رومی را آتش بزند و اشعه های خورشید را بر روی کشتی ها متمرکز کند. صحت این افسانه مشکوک به نظر می رسد، زیرا هیچ یک از مورخان آن زمان به این موضوع اشاره نکرده اند.

مرگ ارشمیدس

بر اساس بسیاری از شواهد، ارشمیدس زمانی که رومیان سرانجام سیراکوز را گرفتند، توسط رومیان کشته شد. در اینجا یکی از نسخه های احتمالی مرگ مهندس بزرگ است.

دانشمند در ایوان خانه خود نمودارهایی را که با دست خود مستقیماً روی شن کشیده بود منعکس کرد. سربازی که در حال عبور بود روی نقاشی قدم گذاشت و ارشمیدس که در فکر فرو رفته بود فریاد زد: "از نقاشی های من دور شو." در پاسخ به این، سربازی که به جایی عجله می کرد، پیرمرد را با شمشیر سوراخ کرد.

خوب، حالا در مورد نکته دردناک: در مورد قانون و قدرت ارشمیدس ...

چگونه قانون ارشمیدس کشف شد و منشاء معروف "اورکا!"

دوران باستان. قرن سوم قبل از میلاد سیسیل، جایی که هنوز مافیایی وجود ندارد، اما یونانیان باستان هستند.

ارشمیدس، مخترع، مهندس و دانشمند نظری اهل سیراکوز (یک مستعمره یونانی در سیسیل)، در زمان پادشاه هیرو دوم خدمت می کرد. روزی جواهرسازان تاج طلایی برای پادشاه ساختند. پادشاه که فردی مشکوک بود، دانشمند را به محل خود فرا خواند و به او دستور داد تا دریابد که آیا تاج دارای ناخالصی های نقره است یا خیر. در اینجا باید گفت که در آن زمان دور هیچکس چنین مسائلی را حل نکرده بود و این قضیه بی سابقه بود.

ارشمیدس مدت زیادی فکر کرد، چیزی به ذهنش نرسید و یک روز تصمیم گرفت به حمام برود. در آنجا، دانشمند که در یک حوض آب نشسته بود، راه حلی برای این مشکل پیدا کرد. ارشمیدس توجه را به یک چیز کاملاً آشکار جلب کرد: جسمی که در آب غوطه ور شده است، حجمی از آب را به اندازه حجم خود بدن جابجا می کند.

در آن زمان بود که ارشمیدس بدون اینکه حتی به خود زحمت لباس پوشیدن را بدهد، از حمام بیرون پرید و فریاد معروف "یورکا" را که به معنی "پیدا شده" است، سر داد. ارشمیدس که نزد پادشاه ظاهر شد از او خواست شمش هایی از نقره و طلا به وزن تاج به او بدهد. ارشمیدس با اندازه گیری و مقایسه حجم آب جابجا شده توسط تاج و شمش متوجه شد که تاج از طلای خالص ساخته نشده است، بلکه با نقره مخلوط شده است. این داستان کشف قانون ارشمیدس است.

ماهیت قانون ارشمیدس

اگر از خود می‌پرسید که چگونه اصل ارشمیدس را بفهمید، پاسخ خواهیم داد. فقط بنشینید، فکر کنید، و درک فرا خواهد رسید. در واقع این قانون می گوید:

جسمی که در گاز یا مایع غوطه ور می شود، تحت نیروی شناوری برابر با وزن مایع (گاز) در حجم قسمت غوطه ور شده بدن قرار می گیرد. این نیرو را نیروی ارشمیدس می نامند.

همانطور که می بینیم، نیروی ارشمیدس نه تنها بر اجسام غوطه ور در آب، بلکه بر اجسام موجود در جو نیز تأثیر می گذارد. نیرویی که باعث بالا آمدن بالون می شود، همان نیروی ارشمیدس است. نیروی ارشمیدسی با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

در اینجا اولین عبارت چگالی مایع (گاز)، دومی شتاب گرانش، سومی حجم جسم است. اگر نیروی گرانش برابر با نیروی ارشمیدس باشد، جسم شناور می شود، اگر بیشتر باشد، فرو می رود و اگر کمتر باشد، تا زمانی که شروع به شناور شدن کند، شناور می شود.

در این مقاله به قانون ارشمیدس برای آدمک ها نگاه کردیم. اگر می خواهید یاد بگیرید که چگونه مسائلی را که در آن قانون ارشمیدس یافت می شود حل کنید، تماس بگیرید به متخصصان ما. بهترین نویسندگان خوشحال خواهند شد که دانش خود را به اشتراک بگذارند و راه حل دشوارترین مشکل را "در قفسه ها" تجزیه و تحلیل کنند.

افزونه ها

یک نیروی شناور یا بالابر در جهت مخالف نیروی گرانش به مرکز ثقل حجمی که توسط جسم از یک مایع یا گاز جابجا شده است اعمال می شود.

تعمیم ها

مشابه خاصی از قانون ارشمیدس نیز در هر میدانی از نیروهایی که بر جسم و مایع (گاز) متفاوت عمل می کنند یا در میدان غیر یکنواخت معتبر است. به عنوان مثال، این به میدان نیروهای اینرسی (به عنوان مثال، به میدان نیروی گریز از مرکز) اشاره دارد - سانتریفیوژ بر این اساس است. مثالی برای میدانی با ماهیت غیرمکانیکی: یک ماده دیامغناطیسی در خلاء از ناحیه میدان مغناطیسی با شدت بالاتر به ناحیه ای با شدت کمتر جابجا می شود.

اشتقاق قانون ارشمیدس برای جسمی با شکل دلخواه

فشار هیدرواستاتیک p (\displaystyle p)در عمق h (\displaystyle h)، توسط چگالی مایع اعمال می شود ρ (\displaystyle \rho)روی بدن وجود دارد p = ρ g h (\displaystyle p=\rho gh). بگذارید چگالی سیال ( ρ (\displaystyle \rho)) و قدرت میدان گرانشی ( g (\displaystyle g)) ثابت هستند و h (\displaystyle h)- پارامتر. بیایید بدنه ای با شکل دلخواه که حجمی غیر صفر دارد را در نظر بگیریم. اجازه دهید یک سیستم مختصات متعارف درست را معرفی کنیم O x y z (\displaystyle Oxyz)و جهت محور z را متناسب با جهت بردار انتخاب کنید g → (\displaystyle (\vec (g))). در امتداد محور z روی سطح مایع صفر می کنیم. اجازه دهید یک ناحیه ابتدایی را روی سطح بدن انتخاب کنیم d S (\displaystyle dS). توسط نیروی فشار مایع وارد شده به بدن بر روی آن تأثیر می گذارد، d F → A = − p d S → (\displaystyle d(\vec (F))_(A)=-pd(\vec (S))). برای بدست آوردن نیرویی که بر بدن وارد می شود، انتگرال را روی سطح بگیرید:

هنگام عبور از انتگرال سطحی به انتگرال حجمی، از تعمیم یافته استفاده می کنیم