Cơ học chất lưu

Lực đẩy Archimedes

Vật nhúng trong chất lỏng chịu lực đẩy hướng lên bằng trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.

Un vật dưới nước dường như nhẹ hơn vì chất lỏng tác dụng lên nó một hợp lực hướng lên. Độ lớn lực đẩy bằng trọng lượng chất lỏng mà vật chiếm chỗ.

F_B=\rho_{\!f}gV_{\mathrm{déplacé}}=m_{\!f}g

Định nghĩa: Lực đẩy Archimedes

$F_B$ hướng lên, bằng trọng lượng chất lỏng bị chiếm chỗ; $\rho_f$ là khối lượng riêng chất lỏng và $V_{\mathrm{dịch}}$ là thể tích phần vật chìm. Lực này bắt nguồn từ áp suất chất lỏng lớn hơn ở phía dưới vật.

Thay đổi khối lượng riêng và thể tích vật chìm để so sánh trọng lượng chất lỏng bị dời chỗ với lực đẩy.

Nổi, chìm và lơ lửng

So sánh trọng lượng $P=mg$ với lực đẩy. Nếu vật nổi cân bằng, lực đẩy bằng trọng lượng vật và chỉ một phần vật chìm. Vật chìm xuống nếu trọng lượng lớn hơn lực đẩy tối đa; vật có khối lượng riêng trung bình nhỏ hơn chất lỏng có thể nổi.

Ví dụ: Vật nhúng trong nước

Một khối chiếm chỗ $2.0\times10^{-3}\,\mathrm{m^3}$ nước. Tính lực đẩy, lấy $\rho=1000\,\mathrm{kg/m^3}$ , $g=9.8\,\mathrm{m/s^2}$ .

Lời giải

$F_B=\rho gV=1000\times9.8\times0.002=19.6\,\mathrm N$ .

Trắc nghiệm nhanh

Độ lớn lực đẩy phụ thuộc thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ, không phải độ sâu tuyệt đối: vật chìm hoàn toàn trong nước có cùng thể tích phần chìm sẽ chịu cùng lực đẩy ở mọi độ sâu, nếu nước gần như không nén được. Khi vật nổi cân bằng, phần thể tích chìm thỏa $ho_{ m vật}V_{ m toàn}= ho_{ m lỏng}V_{ m chìm}$ . Vì thế gỗ nhẹ nổi cao hơn, còn vật có khối lượng riêng trung bình lớn hơn chất lỏng không thể nổi tự do.

Ví dụ: Tỷ phần thể tích chìm khi vật nổi

Một khối gỗ có khối lượng riêng $600,mathrm{kg/m^3}$ nổi trên nước có khối lượng riêng $1000,mathrm{kg/m^3}$ . Cân bằng lực cho $V_{ m chìm}/V_{ m toàn}= ho_{ m gỗ}/ ho_{ m nước}=0.60$ : khoảng $60%$ thể tích nằm dưới mặt nước. Khi thả thêm tải, vật chìm sâu hơn để chiếm chỗ nhiều nước hơn và tăng lực đẩy cho tới khi cân bằng lại.

Một vật chìm hoàn toàn trong chất lỏng. Lực đẩy bằng:

Một khối nổi cân bằng trên mặt nước. Khi đó:

Tài liệu tham khảo

David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker (2018). Fundamentals of Physics