نیروی شناوری

نیروی شناوری (Buoyancy Force)

ارشمیدس ریاضی‌دان و مخترع یونانی (قرن سوم پیش از میلاد) سال‌ها پیش از شکل گرفتن مفاهیم نیرو، پی به اصل مهمی برده بود که به احترام او این اصل را اصل ارشمیدس نامیدند.

و اما داستان این کشف بزرگ چه بود؟

شخصی برای پادشاه سیراکوز تاج طلا ساخته بود. پادشاه از ارشمیدس می‌خواهد که مشخص کند آیا این تاج از طلای خالص ساخته شده است یا خیر؟ ارشمیدس سخت مشغول یافتن پاسخ بود. روزی در یک حمام عمومی، آب کمکی به وی کرد و او هیجان‌زده و برهنه در خیابان‌های شهر فریاد می‌زد اورکا! اورکا! یعنی یافتم.

ارشمیدس یک شمش طلا که هم‌وزن تاج بود را در آب فرو برد و متوجه شد که تاج، آب بیشتری را جابجا می‌کند، یعنی طلای خالص نیست!

هنگامی که شما در آب شناور هستید احساس سبکی می‌کنید. علت این کاهش وزن چیست؟

طبق اصل ارشمیدس: «وقتی تمام یا قسمتی از یک جسم در شاره‌ای فرو رود شاره نیرویی بالاسو بر آن وارد می‌کند که با وزن شاره جابجا شده توسط جسم برابر است»

فشار ناشی از یک شاره با افزایش عمق، زیاد می‌شود به این معنی که به سطح پایین جسم از طرف شاره نیرویی به جسم وارد می‌شود که این نیرو از نیرویی که از طرف شاره به سطح بالای جسم وارد می‌شود، بیشتر است. در نتیجه یک نیروی بالاسو از طرف سیال وارد می‌شود که همان نیروی شناوری است.

اگر جسمی درون شاره ساکنی باشد می‌توان نشان داد نیروی شناوری وارد بر جسم از رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید.

$F_{b}=\rho Vg$

که در آن $F_{b}$ نیروی شناوری از طرف شاره به جسم٬ $\rho$ چگالی شاره و $V$ حجم شاره جابجا شده یا حجم قسمتی از جسم که درون شاره است.

توجه کنید در این رابطه اندازه‌ی نیروی شناوری به عوامل زیر بستگی ندارد:

1. عمقی که جسم در آن قرار گرفته است.
2. چگالی جسم
3. وزن جسم
4. شکل ظاهری جسم

و به حجم قسمتی از جسم که درون شاره است و همین‌طور چگالی سیال وابسته است.

چون جسم در تعادل است می‌توان نتیجه گرفت:

_{(جسم)$F_{b}=W$} یا _{(شده جابجا شاره)}$F_{b}=W$

در نیروی شناوری چگالی جسم نیز بسیار قابل توجه است. به جسمی که درون شاره است دو نیرو وارد می‌شود. یکی وزن جسم و دیگری نیروی شناوری. نیروی شناوری با وزن جسم مقابله می‌کند. یعنی اگر سیال جابه‌جا شده به اندازه حجم جسم درون آب جرم بیشتری داشته باشد، نیروی شناوری بزرگ‌تری از وزن جسم بوده و باعث شناوری جسم می‌شود.

سه حالت زیر را در نظر بگیرید:

1. 1- تمام حجم جسم در آب فرو نرفته است و حجم جسم بیشتر از حجم شاره جابجا شده است.

در این‌صورت چگالی جسم کمتر از چگالی شاره بوده و جسم روی شاره شناور می‌ماند.

1. 2- تمام حجم جسم در آب فرو رفته است و حجم جسم برابر حجم شاره جابجا شده است.

در این صورت اگر چگالی جسم برابر چگالی شاره باشد جسم در شاره غوطه‌ور می‌ماند.

1. 3- تمام حجم جسم در آب فرو رفته است و حجم جسم برابر حجم شاره جابجا شده است.

در این صورت اگر چگالی جسم بیشتر از چگالی شاره باشد جسم در شاره فرو رفته یا ته‌نشین می‌رود.

کاربرد نیروی ارشمیدس

طراحی کشتی‌ها، زیردریایی‌ها و شناورها

مطالعه حرکت بالون‌ها و هواپیماها

تعیین تراکم مواد نامشخص با استفاده از جابه‌جایی سیال

نحوه کار با شبیه‌ساز

ابتدا جسمی را می‌بینید که در حالت تعادل روی آب شناور است. جرم و حجم جسم در قسمت پایین نشان داده شده که قابل تغییر است.

تیک نمایش مقادیر و نیروی دست را انتخاب کنید تا مقادیر برای شما نشان داده شود. می‌توانید با کلیک روی جسم، جسم را داخل آب فرو ببرید یا از آب خارج کنید و در این‌ صورت تغییرات نیروی شناوری را ببینید. با تغییر میزان جرم و حجم جسم می‌توانید چگالی جسم را تغییر داده و نحوه قرار گرفتن جسم را در شاره ببینید.

پس از کار با شبیه ساز می‌توانید به سوالات زیر پاسخ دهید.

نیروی شناوری چگونه محاسبه می‌شود؟ و جهت آن به کدام سمت است؟

چگونه تغییر چگالی یک جسم بر نیروی شناوری آن تاثیر می‌گذارد؟

نیروی شناوری در آب و در هوا را مقایسه کنید.

آیا شکل جسم بر نیروی شناوری وارد بر آن تاثیر دارد؟ چرا؟

آیا دما می‌تواند بر نیروی شناوری اثر بگذارد؟