נוזלים וחוקי ניוטון
הוצג| English | משמעות |
|---|---|
| buoyant force/ˈbɔɪənt fɔːs/ | כוח ציפה |
ספינת פלדה צפה, אך מסמר פלדה טובע
- אם משליכים מסמר פלדה במים הוא טובע מיד. עם זאת, ספינה העשויה מאלפי טון של פלדה מצופה.
- הספינה מצופה על ידי הדחקה של נפח עצום של מים — מספיק כדי לתמון במשקלה.
- הדחיפה כלפי מעלה מהנוזל היא הכוח העומס.
- הוא עוקב אחר כלל פשוט ויפה שהתגלה על ידי ארכימדס.
עקרון ארכימדס
- הכוח העומס שווה למשקל הנוזל המודח: $F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$.
- הוא נובע מכך שהלחץ גדול יותר בתחתית הגוף מאשר בחלקו העליון.
- $V$ הוא הנפח הטבול, ו$\rho_{\text{fluid}}$ צפיפות הנוזל.
- אם מדחקים יותר נוזל, או נוזל צפוף יותר, תקבלו כוח דחיפה כלפי מעלה גדול יותר.
בלוק בנפח $0.002\ \text{m}^3$ מוצא במים ($\rho = 1000\ \tfrac{\text{kg}}{\text{m}^3}$, $g = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$). מהו הכוח המשיא, ב$\text{N}$?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$F_b = \rho V g = 1000 \times 0.002 \times 10 = 20\ \text{N}$.
עקרון ארכימדס קובע כי הכוח המשיא שווה ל:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ — משקל הנוזל שמרדף הגוף מחוץ.
צוף או טובע? השוו את הכוחות
- השוו בין כוח המצופה (למעלה) לבין משקל הגוף (למטה) — מאזן חוקי ניוטון.
- אם המצופה יכול להשוות למשקל, הגוף מצופה; אחרת, הוא טובע.
- לחלופין, השוו צפיפויות: פחות צפוף מהנוזל ⇒ מצופה; צפוף יותר ⇒ טובע.
- אונייה מצופה מכיוון שצפיפותה הכוללת (המוצעית), החולקה והאוויר, נמוכה.
האם זה יצוף?
השוו את צפיפות הגוף לצפיפות הנוזל וראה כיצד הכוח המשיא קובע האם הוא יצוף או ישקע.
גוף מצופה בנוזל כאשר הגוף:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
פחות צפוף מהנוזל ⇒ הכוח המשיא יכול לתמוך במשקלו ⇒ הוא מצופה.
ספינת פלדה מצופה מכיוון שצפיפות הממוצע הכוללת שלה (פלדה ועוד אוויר) פחותה מזו של המים.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
התא הרוקי כלוא אוויר, ומוריד את צפיפות הממוצע של הספינה מתחת לזו של המים.
בחר את כל הדברים המגדילים את הכוח המשיא על גוף מוצא לחלוטין.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ גדל עם הנפח, צפיפות הנוזל ו-$g$. הצבע אינו רלוונטי.
למה זה מרגיש קל יותר מתחת למים
- הרם אבן מתחת למים והיא תרגיש קלה יותר — כוח המצופה עוזר לך.
- המשקל הנראה הוא המשקל האמיתי פחות כוח המצופה.
- בטביעה מלאה, גוף צפוף יותר ממים עדיין טובע, אך עם משקל נראה מופחת.
- המצופה הוא פשוט יישום חוקי ניוטון על הלחץ של הנוזל הסובב.
המשקל apparent של גוף מוצא הוא המשקל האמיתי שלו פחות הכוח ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
משקל apparent $=$ משקל אמיתי $-$ כוח משיא, ולכן דברים מרגשים קלים יותר מתחת למים.
המצופה תלויה בנפח הנוזל המודח ובצפיפות הנוזל — ולא ישירות בצפיפות או במשקל של הגוף עצמו. ההחלטה בין הצופה לטביעה נקבעת בהשוואת כוח המצופה למשקל (או צפיפות הגוף לצפיפות הנוזל).
בלוק בנפח $0.002\ \text{m}^3$ טבוע לחלוטין במים ($\rho = 1000\ \tfrac{\text{kg}}{\text{m}^3}$, $g = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$).
- $F_b = \rho V g = 1000 \times 0.002 \times 10 = 20\ \text{N}$.
אם הבלוק כבד מ-$20\ \text{N}$ הוא טובע; קל יותר, הוא עולה ומצופה.
כוח המצופה שווה למשקל הנוזל המודח: $F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ (עקרון ארכימדס). גוף מצופה אם זה יכול לאזן את משקלו — לחלופין, אם הוא פחות צפוף מהנוזל — ו-טובע אם לא. לגופים מתחת למים יש משקל נראה מופחת.