Lực Nổi: Khoa Học Giải Thích Tại Sao Các Vật Thể Chìm Hoặc Nổi

Lực nổi là lực giúp thuyền và bóng bãi biển nổi trên mặt nước. Thuật ngữ lực nổi dùng để chỉ lực hướng lên mà chất lỏng (chất lỏng hoặc chất khí) tác dụng lên một vật thể được ngâm một phần hoặc hoàn toàn trong chất lỏng. Lực nổi cũng giải thích tại sao chúng ta có thể nâng vật dưới nước dễ dàng hơn trên cạn.

Bài học rút ra chính: Lực lượng nổi

• Thuật ngữ lực nổi dùng để chỉ lực hướng lên mà chất lỏng tác dụng lên một vật thể được ngâm một phần hoặc hoàn toàn trong chất lỏng. 
• Lực nổi phát sinh từ sự khác biệt về áp suất thủy tĩnh - áp suất do chất lỏng tĩnh tạo ra.
• Nguyên lý Archimedes phát biểu rằng lực nổi tác dụng lên một vật thể bị ngập một phần hoặc hoàn toàn trong chất lỏng bằng trọng lượng của chất lỏng bị vật đó dịch chuyển.

Khoảnh khắc Eureka: Quan sát đầu tiên về sự nổi

Theo kiến ​​trúc sư người La Mã Vitruvius, nhà toán học và triết học người Hy Lạp Archimedes lần đầu tiên phát hiện ra sức nổi vào thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên khi đang phân vân về một vấn đề do Vua Hiero II của Syracuse đặt ra cho ông. Vua Hiero nghi ngờ rằng chiếc vương miện bằng vàng của ông, được làm theo hình vòng hoa, không thực sự được làm bằng vàng nguyên chất, mà là hỗn hợp của vàng và bạc.

Bị cáo buộc, khi đang tắm, Archimedes nhận thấy rằng càng chìm vào trong bồn, nước càng chảy ra nhiều hơn. Anh nhận ra đây là câu trả lời cho tình trạng khó khăn của mình, và chạy về nhà trong khi khóc "Eureka!" (“Tôi đã tìm thấy nó!”) Sau đó, ông làm ra hai đồ vật - một vàng và một bạc - có trọng lượng tương đương với vương miện, và thả mỗi thứ vào một cái bình chứa đầy nước đến gần miệng.

Archimedes quan sát thấy khối bạc khiến lượng nước chảy ra khỏi bình nhiều hơn khối vàng. Tiếp theo, ông quan sát thấy rằng chiếc vương miện "vàng" của mình khiến lượng nước chảy ra khỏi bình nhiều hơn so với vật thể bằng vàng nguyên chất mà ông đã tạo ra, mặc dù hai chiếc vương miện có cùng trọng lượng. Do đó, Archimedes đã chứng minh rằng vương miện của ông thực sự có chứa bạc.

Mặc dù câu chuyện này minh họa nguyên tắc của sự nổi, nó có thể là một truyền thuyết. Archimedes chưa bao giờ tự mình viết ra câu chuyện. Hơn nữa, trong thực tế, nếu một lượng nhỏ bạc thực sự được đổi lấy vàng, thì lượng nước bị thay thế sẽ quá nhỏ để có thể đo lường một cách đáng tin cậy.

Trước khi phát hiện ra sức nổi, người ta tin rằng hình dạng của một vật thể xác định liệu nó có nổi hay không.

Lực nổi và áp suất thủy tĩnh

Lực nổi phát sinh từ sự khác biệt về áp suất thủy tĩnh - áp suất do chất lỏng tĩnh tạo ra . Một quả bóng được đặt ở vị trí cao hơn trong chất lỏng sẽ chịu ít áp lực hơn so với quả bóng tương tự được đặt ở vị trí sâu hơn. Điều này là do có nhiều chất lỏng hơn, và do đó có nhiều trọng lượng hơn, tác động lên quả bóng khi nó ở sâu hơn trong chất lỏng.

Do đó, áp suất ở phía trên của một vật yếu hơn áp suất ở phía dưới. Áp suất có thể được chuyển đổi thành lực bằng công thức Lực = Áp suất x Diện tích. Có một lực tịnh hướng lên trên. Lực ròng này - hướng lên trên bất kể hình dạng của vật thể - là lực nổi.

Áp suất thủy tĩnh được cho bởi P = rgh, trong đó r là khối lượng riêng của chất lỏng, g là gia tốc do trọng lực và h là độ sâu bên trong chất lỏng. Áp suất thủy tĩnh không phụ thuộc vào hình dạng của chất lỏng.

Nguyên tắc Archimedes

Nguyên lý Archimedes phát biểu rằng lực nổi tác dụng lên một vật thể bị ngập một phần hoặc hoàn toàn trong chất lỏng bằng trọng lượng của chất lỏng bị vật đó dịch chuyển.

Điều này được biểu thị bằng công thức F = rgV, trong đó r là khối lượng riêng của chất lỏng, g là gia tốc do trọng lực và V là thể tích chất lỏng bị dịch chuyển bởi vật thể. V chỉ bằng thể tích của vật nếu nó ngập hoàn toàn.

Lực nổi là lực hướng lên chống lại lực tác động xuống của trọng lực. Độ lớn của lực nổi xác định liệu một vật sẽ chìm, nổi hay nổi lên khi ngập trong chất lỏng.

• Một vật sẽ chìm nếu lực hấp dẫn tác dụng lên nó lớn hơn lực nổi.
• Một vật sẽ nổi nếu lực hấp dẫn tác dụng lên nó bằng lực nổi.
• Một vật sẽ bay lên nếu lực hấp dẫn tác dụng lên nó nhỏ hơn lực nổi.

Một số quan sát khác cũng có thể được rút ra từ công thức.

• Các vật bị chìm có thể tích bằng nhau sẽ dịch chuyển cùng một lượng chất lỏng và chịu cùng độ lớn của lực nổi, ngay cả khi các vật đó được làm bằng các vật liệu khác nhau. Tuy nhiên, những vật thể này sẽ khác nhau về trọng lượng và sẽ nổi, nổi lên hoặc chìm xuống.
• Không khí, có mật độ thấp hơn nước khoảng 800 lần, sẽ chịu một lực nổi ít hơn nhiều so với nước.

Ví dụ 1: Khối lập phương được nhúng một phần

Một hình lập phương có thể tích là 2,0 cm 3 bị ngập nửa trong nước. Lực nổi của khối lập phương là bao nhiêu?

• Chúng ta biết rằng F = rgV.
• r = khối lượng riêng của nước = 1000 kg / m 3
• g = gia tốc trọng trường = 9,8 m / s 2
• V = một nửa thể tích của khối lập phương = 1,0 cm 3 = 1,0 * 10 -6 m 3
• Như vậy, F = 1000 kg / m 3 * (9,8 m / s 2 ) * 10 -6 m 3 = 0,0098 (kg * m) / s 2 = 0,0098 Newton.

Ví dụ 2: Một khối lập phương được nhúng hoàn toàn

Một hình lập phương có thể tích là 2,0 cm 3 được đặt chìm hoàn toàn vào nước. Lực nổi của khối lập phương là bao nhiêu?

• Chúng ta biết rằng F = rgV.
• r = khối lượng riêng của nước = 1000 kg / m3
• g = gia tốc trọng trường = 9,8 m / s 2
• V = thể tích của khối lập phương = 2,0 cm 3 = 2,0 * 10 -6 m3
• Như vậy, F = 1000 kg / m 3 * (9,8 m / s 2 ) * 2,0 * 10-6 m 3 = 0,0196 (kg * m) / s 2 = 0,0196 Newton.

Nguồn

• Biello, David. “Sự thật hay hư cấu ?: Archimedes đã đặt ra thuật ngữ 'Eureka!' trong bồn tắm." Scientific American , 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-archimede/.
• "Mật độ, nhiệt độ và độ mặn." Đại học Hawaii , https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/density-effects/density-tempeosystem-and-salinity.
• Rorres, Chris. "The Golden Crown: Giới thiệu." Đại học Bang New York , https://www.math.nyu.edu/~crorres/Archimedes/Crown/CrownIntro.html.