Явна вага

Коли об’єкт тримається нерухомо під водою, він, здається, важить менше, ніж у повітрі, оскільки плавуча сила допомагає його утримати (збалансувати його вагу). З цієї причини зменшена сила, яку потрібно прикласти для утримання предмета, відома як очевидна вага. Коли для зважування об'єкта, зануреного у воду, використовується вага, вага буде зчитувати видиму вагу. При виконанні гідростатичного зважування для вимірювання складу тіла очевидну вагу часто називають вагою під водою ().

Під час зважування під водою ми знаємо, що плавуча сила повинна дорівнювати різниці між вагою та видимою вагою, оскільки об'єкт залишається нерухомим, що є станом, відомим як статична рівновага . Щоб об’єкт знаходився в статичній рівновазі, усі сили, що знаходяться на ньому, повинні бути збалансовані так, щоб не було чистої сили . У випадку зважування під водою, плавуча сила плюс сила, що надається вагою, повинна ідеально збалансувати вагу предмета, поки об'єкт нерухомо тримається. Ми можемо використовувати стрілки для представлення сил на об’єкт і візуалізації того, як вони збалансовані або неврівноважені. Цей тип діаграм відомий як діаграма вільного тіла (FBD). Напрямок стрілок показує напрямок сил, а довжина стрілок показує розмір (величину) сили. У цьому випадку ми називаємо вектори стрілками і кажемо, що сили, які вони представляють, є векторними величинами. FBD для особи, яка проходить гідростатичне зважування, виглядатиме так:

Діаграма вільного тіла об’єкта, що висить на вазі, зануреного у воду. Довжина стріли ваги дорівнює суміщеній довжині сили, що подається вагою, і виштовхувальної сили. На вазі буде зчитуватися вага, яку вона повинна забезпечити, отже, вона буде зчитувати очевидну вагу для занурених предметів, яка менше фактичної ваги.

В останньому розділі ми дізналися, що ваги вимірюють силу, яку вони подають на інші предмети. Вага повинна забезпечувати менше сили, що відновлює, щоб протидіяти вазі та підтримувати статичну рівновагу, коли також допомагає виштовхуюча сила, тому вага буде мати видимий показник ваги, менший за фактичну вагу.

Вимірювання ваги та видимої ваги тіла дозволяє нам розрахувати його щільність, тому що плавуча сила, яка спричиняє зменшення видимої ваги, має особливе відношення до кількості води, яку витісняє тіло. Принцип Архімеда стверджує, що плавуча сила, яку надає рідина, дорівнює вазі рідини, що витісняється.

Вправи на підкріплення

Плавуча сила і щільність

Дана маса тканини низької щільності займе обсяг відносно тієї ж маси тканини високої щільності. Набирання обсягу означає, що при зануренні тіла витісняється більше води, тому виштовхуюча сила буде більшою порівняно з вагою, ніж для більш щільного тіла. У свою чергу, це означає, що видима вага менша відносно фактичної ваги для тіл з більшою щільністю. Порівнюючи вагу та видиму вагу, можна визначити щільність тіла. Ми зробимо це в наступному розділі, але спочатку нам слід більше ознайомитись із плавучою силою .

Повсякденний приклад

Вода, витіснена цеглою, важить менше цегли, тому виштовхуюча сила не може відмінити ваги цегли, і вона буде мати тенденцію до опускання (ліва схема). Щоб утримати цеглу на місці, ви повинні забезпечити залишкову висхідну силу, щоб збалансувати вагу і підтримати статичну рівновагу. Ця сила менша за вагу в повітрі, тому, здається, цегла менше важить у воді (права схема).

Безкоштовні схеми тіла для цегли у воді. Цегла зліва тоне, цегла праворуч утримується вами.

Якщо відпустити цеглу, вона вийде з рівноваги і опуститься на дно басейну. У цей момент дно басейну забезпечує додаткову висхідну силу, щоб збалансувати вагу, і цегла знову перебуває в статичній рівновазі .

Свободна схема тіла цегли, що сидить на дні басейну.

Вода, витіснена цілим пляжним кулею, важить більше пляжного м'яча, тому якщо ви тримаєте її під водою, виштовхуюча сила буде більшою за вагу. Ваша рука забезпечує додаткову силу донизу, щоб збалансувати сили та підтримати статичну рівновагу (ліва схема). Коли ви відпустите, сили будуть розбалансовані, і куля почне рухатися вгору (права схема).

Вільні схеми тіла пляжного м’яча під водою. М’яч ліворуч утримується вами. М’яч праворуч буде плавати вгору.

Щільність льоду становить приблизно 9/10 щільності води. Вага води, витісненої лише 9/10 айсберга, має таку ж вагу, як і весь айсберг. Отже, 1/10 айсберга повинні залишатися відкритими, щоб вага і плавучі сили були збалансовані, а айсберг знаходився в статичній рівновазі .

Айсберг, плаваючий, приблизно 9/10 його об'єму занурений у воду. Кредит зображення: “Айсберг”, створений Уве Кілсом (айсберг) та Користувачем: Віска Бодо (небо) через Wikimedia Commons

Вправи на підкріплення

Ознайомтесь із цим моделюванням плавучості, який дозволяє вам контролювати, скільки об’єктів різної маси занурені в воду, і показує результуючу плавучу силу разом із зусиллями, наданими вами, та вагою на дні басейну (очевидна вага).

Приклад не надто повсякденний

Підводні човни контролюють, скільки води вони витісняють, перекачуючи воду в та з резервуарів всередині підводного човна. Коли вода закачується всередину, ця вода не витісняється підводним пристроєм, і це не враховує збільшення плавучої сили. І навпаки, коли вода відкачується, вода тепер витісняється сабвуфером, а плавуча сила збільшується, що є концепцією маневру в наступному відео:

"Принцип Архімеда" Автор MikeRun [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], з Wikimedia Commons↵
"Айсберг", створений Уве Кілсом (айсберг) та Користувачем: Віска Бодо (небо). [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) або CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], через Wikimedia Commons ↵

висхідна сила, що діє будь-якою рідиною на тіло, яке в ньому розміщено

сила тяжіння на об’єкт, як правило, відносно сили тяжіння, спричиненої Землею або іншим небесним тілом

показання на шкалі, яка використовується для вимірювання ваги предмета, зануреного в рідину

методика вимірювання маси на одиницю об’єму тіла живої людини. Це пряме застосування принципу Архімеда, згідно з яким об’єкт витісняє власний об’єм води

очевидна вага при зануренні у воду

стан знаходиться в рівновазі (відсутність незбалансованих сил або крутних моментів) і також не має руху

загальна кількість залишкової неврівноваженої сили на об'єкт

графічна ілюстрація, що використовується для візуалізації сил, що діють на об'єкт

розмір або розмір векторної величини, незалежно від напрямку

величина, що має напрямок, а також величину

сила, яка прагне повернути систему назад у положення рівноваги

відношення між кількістю матеріалу та займаним ним простором, розраховане як маса, поділена на об’єм.

виштовхується з вихідного положення, як правило, відносно рідини, витісненої з місця об'єктом, що знаходиться в рідині, або об'єктом, що переміщується з положення рівноваги

Плавуча сила, що діє вгору на тіло, занурене в рідину, повністю або частково занурене, дорівнює вазі рідини, що витісняється тілом

вимірювання кількості речовини в об'єкті, здійснене шляхом визначення його стійкості до змін руху (інерційної маси) або сили тяжіння, прикладеної до нього іншою відомою масою з відомої відстані (гравітаційна маса). Гравітаційна маса та інерційна маса здаються рівними.

кількість місця, наприклад обсяг у коробці або обсяг, зайнятий предметом.

стан не має незбалансованих сил або крутних моментів