Archimedese seadus on füüsikaline põhimõte, mis ütleb, et täielikult või osaliselt vedelikku sukeldatud kehale mõjub puhkeasendis vertikaalselt suunatud jõud, mille suurus on võrdne tõrjutud vedeliku massiga. see keha. Seda jõudu nimetatakse hüdrostaatiliseks või Archimedeseks. Nagu iga füüsika jõud, mõõdetakse seda njuutonites.
Kreeka teadlane Archimedes
Archimedes kasvas üles perekonnas, mida seostati teadusega, kuna tema isa Phidias oli oma aja suur astronoom. Varasest lapsepõlvest peale hakkas Archimedes teaduste vastu huvi tundma. Ta õppis Aleksandrias, kus sõbrunes Küreene Eratosthenesega. Koos temaga mõõtis Archimedes esm alt maakera ümbermõõdu. Eratosthenese mõjul tekkis ka noores Archimedeses huvi astronoomia vastu.
Pärast naasmist kodulinna Siracusasse pühendab teadlane palju aega matemaatika, füüsika, geomeetria, mehaanika, optika ja astronoomia uurimisele. Kõigis neis teadusvaldkondades tegi Archimedes mitmesuguseid avastusi, millest arusaamine on isegi raskekaasaegne haritud inimene.
Archimedes avastab oma seaduse
Ajaloolise teabe kohaselt avastas Archimedes oma seaduse huvitaval viisil. Vitruvius kirjeldab oma kirjutistes, et Syracusa türann Hieron II andis ühele käsitöölisele ülesandeks valada talle kuldne kroon. Pärast krooni valmimist otsustas ta kontrollida, kas meister on teda petnud ja kas kullale on lisatud odavamat hõbedat, mille tihedus on väiksem kui metallide kuningal. Ta palus Archimedesel selle probleemi lahendada. Teadlasel ei lubatud krooni terviklikkust rikkuda.
Vannis käies märkas Archimedes, et veetase selles tõusis. Ta otsustas seda efekti kasutada krooni ruumala arvutamiseks, mille teadmine, aga ka võra mass, võimaldas tal arvutada objekti tihedust. See avastus avaldas Archimedesele suurt muljet. Vitruvius kirjeldas oma seisundit järgmiselt: ta jooksis mööda tänavat täiesti alasti ja hüüdis "Eureka!", mis on vanakreeka keelest tõlgitud kui "Ma leidsin selle!". Selle tulemusel osutus krooni tihedus puhtast kullast väiksemaks ja meister hukati.
Archimedes lõi teose "Ujuvatest kehadest", kus ta kirjeldab esimest korda üksikasjalikult enda avastatud seadust. Pange tähele, et Archimedese seaduse sõnastus, mille teadlane ise koostas, ei ole praktiliselt muutunud.
Ülejäänud vedelikuga tasakaalus oleva vedeliku maht
Koolis 7. klassis hakkavad nad õppima Archimedese seadust. Selle seaduse tähenduse mõistmiseks peame esm alt arvestama jõududega, mis sellele mõjuvadteatud kogus vedelikku, mis on ülejäänud vedeliku paksusega tasakaalus.
Vaatatava vedelikumahu mis tahes pinnale mõjuv jõud on võrdne pdS, kus p on rõhk, mis sõltub ainult sügavusest, dS on selle pinna pindala.
Kuna valitud vedeliku maht on tasakaalus, tähendab see, et selle ruumala pinnale mõjuv ja rõhuga seotud jõud peab olema tasakaalustatud selle vedelikumahu kaaluga. Seda tulenevat jõudu nimetatakse üleslükkejõuks. Selle rakenduspunkt on selle vedelikumahu raskuskeskmes.
Kuna rõhk vedelikus arvutatakse valemiga p=rogh, kus ro on vedeliku tihedus, g on vaba langemise kiirendus, h on vaadeldava vee sügavus, tasakaal. vedeliku maht määratakse võrrandiga: kehamass=rog V, kus V on vedeliku vaadeldava osa maht.
Vedeliku asendamine tahkega
Arvestades edasi Archimedese seadust 7. klassi füüsikas, eemaldame selle paksusest vaadeldava vedeliku mahu ja asetame vabasse ruumi sama mahu ja kujuga tahke keha.
Sellisel juhul jääb tekkiv ujuvusjõud, mis sõltub ainult vedeliku tihedusest ja selle mahust, samaks. Keha kaal ja ka selle raskuskese üldiselt muutuvad. Selle tulemusena mõjutavad keha algselt kaks jõudu:
- Tõukejõud rogV.
- Kehakaal mg.
Lihtsamal juhul, kui keha on homogeenne, langeb selle raskuskese kokkutõukejõu rakenduspunkt.
Arhimedese seaduse olemus ja näide täielikult vedelikku sukeldatud keha lahendusest
Oletame, et homogeenne keha massiga m on sukeldatud vedelikku tihedusega ro. Sel juhul on kehal rööptahuka kuju, mille aluse pindala on S ja kõrgus h.
Vastav alt Archimedese seadusele mõjuvad kehale järgmised jõud:
- Force rogxS, mis on tingitud keha ülapinnale avaldatavast survest, kus x on kaugus keha ülemisest pinnast vedeliku pinnani. See jõud on suunatud vertikaalselt allapoole.
- Suund rog(h+x)S, mis on seotud rööptahuka põhjapinnale mõjuva rõhuga. See on suunatud vertikaalselt ülespoole.
- Kehakaal mg, mis toimib vertikaalselt allapoole.
Rõhk, mille vedelik tekitab sukeldatud keha külgpindadele, on absoluutväärtuselt võrdne ja suun alt vastupidine, mistõttu need annavad kokku nulljõu.
Tasakaalu korral on meil: mg + rogxS=rog(h+x)S või mg=roghS.
Seega on üleslükkejõu ehk Archimedese jõu olemus rõhkude erinevus, mille vedelik avaldab sellesse sukeldatud keha ülemisele ja alumisele pinnale.
Märkused Archimedese seaduse kohta
Ujuvusjõu olemus võimaldab meil sellest seadusest mõningaid järeldusi teha. Siin on olulised järeldused ja märkused:
- Kui tahke aine tihedus on suurem kui vedeliku tihedus,millesse see on kastetud, siis ei piisa Archimedese jõust selle keha vedelikust välja tõukamiseks ja keha vajub. Vastupidi, keha hõljub vedeliku pinnal ainult siis, kui selle tihedus on väiksem selle vedeliku tihedusest.
- Kaaluta tingimustes vedelike mahtude puhul, mis ei suuda iseenesest tekitada tajutavat gravitatsioonivälja, ei esine nende ruumalade paksuses rõhugradiente. Sel juhul lakkab ujuvuse mõiste olemast ja Archimedese seadus ei ole kohaldatav.
- Kõigi vedelikku sukeldatud suvalise kujuga kehale mõjuvate hüdrostaatiliste jõudude summa saab taandada üheks jõuks, mis on suunatud vertikaalselt üles ja rakendatakse keha raskuskeskmele. Seega tegelikkuses raskuskeskmele ühtset jõudu ei rakendata, selline esitus on vaid matemaatiline lihtsustus.
