Plávanie telies v kvapalinách je fascinujúci jav, ktorý riadia fyzikálne zákony. Tento článok sa zameriava na komplexné vysvetlenie tohto javu, od základných definícií až po praktické aplikácie, a to s cieľom poskytnúť ucelený pohľad pre čitateľov s rôznou úrovňou znalostí.
Hustota: Kľúč k pochopeniu plávania
Hustota je základná fyzikálna veličina, ktorá hrá kľúčovú úlohu pri určovaní, či teleso bude v kvapaline plávať, vznášať sa alebo sa potopí. Je definovaná ako hmotnosť telesa na jednotku objemu.
Definícia a výpočet hustoty
Hustota, označená gréckym písmenom ρ (ró), vyjadruje hmotnosť určitého objemu telesa. Vypočíta sa vydelením hmotnosti telesa (m) jeho objemom (V):
ρ = m/V
Jednotky hustoty
Hlavnou jednotkou hustoty je kilogram na meter kubický (kg/m³). Často sa používa aj gram na centimeter kubický (g/cm³). Prevod medzi týmito jednotkami je nasledovný: 1 g/cm³ = 1000 kg/m³.
Prečítajte si tiež: Plávanie pre deti - recenzie
Vplyv teploty na hustotu
Hustota väčšiny telies klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Je to spôsobené tým, že objem telesa sa s teplotou zväčšuje, zatiaľ čo jeho hmotnosť zostáva konštantná. Voda je však výnimkou; jej hustota je najvyššia pri 4 °C a od tejto teploty oboma smermi klesá.
Archimedov zákon a vztlaková sila
Archimedov zákon je základný princíp, ktorý vysvetľuje správanie sa telies v kvapalinách. Podľa Archimedovho zákona, teleso ponorené do kvapaliny je nadľahčované silou, ktorá sa rovná tiaži kvapaliny vytlačenej ponorenou časťou telesa. Táto sila sa nazýva vztlaková sila.
Zjednodušené znenie Archimedovho zákona
V tekutine bude plávať teleso, ktoré pri jeho úplnom ponorení v danej kvapaline vytlačí menšiu hmotnosť tekutiny ako má ono samo, vznášať sa bude teleso, ktoré vytlačí rovnakú hmotnosť tekutiny ako má ono samo a ponorí sa teleso, ktoré vytlačí väčšiu hmotnosť kvapaliny, ako má ono samo.
Vztlaková sila
Teleso ponorené do kvapaliny je nadľahčované hydrostatickou vztlakovou silou, ktorej veľkosť sa rovná veľkosti tiaže kvapaliny vytlačenej ponorenou časťou telesa. Alebo inak povedané: Teleso ponorené do kvapaliny je nadľahčované vztlakovou silou, ktorej veľkosť sa rovná tiaži kvapaliny s rovnakým objemom, ako je objem ponorenej časti telesa.
Na teleso, ktoré sa nachádza na vzduchu, pôsobí tiažová sila. Ak však toto teleso ponoríme do kvapaliny, začne naň pôsobiť ešte aj vztlaková sila, a to opačným smerom ako pôsobí tiažová sila.
Prečítajte si tiež: Prehľad plavární a kúpalísk
Dôsledky Archimedovho zákona: Plávanie, vznášanie sa a potápanie
Správanie sa telesa v kvapaline závisí od vzájomného pomeru jeho hustoty a hustoty kvapaliny. Na základe tohto pomeru môžeme určiť, či sa teleso bude v kvapaline vznášať, plávať alebo sa potopí.
Teleso sa potopí
Ak je hustota tuhého telesa väčšia ako je hustota kvapaliny, tiažová sila je väčšia ako vztlaková, výslednica týchto dvoch síl je kladná a pôsobí v smere väčšej z nich, v tomto prípade smerom nadol → teleso pôjde v smere výslednej sily → NADOL. Veľkosť vztlakovej sily sa pritom so zväčšujúcim objemom potopenej časti telesa zväčšuje. V praxi - kameň má určite väčšiu hustotu ako voda. Čo sa stane, ak ho hodíte do vody? Potopí sa.
Teleso pláva
Ak je hustota tuhého telesa menšia ako hustota kvapaliny, tiažová sila je menšia ako vztlaková, výslednica týchto dvoch síl je záporná a pôsobí v smere väčšej z nich, v tomto prípade smerom nahor → teleso pôjde v smere výslednej sily → NAHOR. Veľkosť vztlakovej sily sa pritom so zmenšujúcim objemom potopenej časti telesa zmenšuje. V praxi - Vezmite si ľahší drevený hranol a násilím ho ponorte do vody. Čo sa stane, ak ho pustíte? Nakoľko má menšiu hustotu ako má voda, okamžite sa začne pohybovať smerom k hladine vody a tam aj ostane plávať. Ak teleso voľne pláva na hladine kvapaliny (nemusí byť vynorené celým svojím objemom) platí, že tiažová sila je v rovnováhe so vztlakovou silou, ktorá pôsobí na tú časť telesa, ktorá je ponorená v kvapaline.
Teleso sa vznáša
Ak je hustota tuhého telesa rovnaká ako je hustota kvapaliny, výslednica síl je nulová, tiažová sila je rovnaká ako vztlaková a teleso sa v kvapaline vznáša.
Viskozita kvapaliny
Viskozita je vlastnosť kvapaliny, ktorá vyjadruje jej odpor voči tečeniu. Čím je kvapalina viskóznejšia, tým pomalšie tečie, tým lepšie si drží svoj tvar a tým menej sa rozprskáva. Olej je viskóznejší ako voda, ale je menej hustý.
Prečítajte si tiež: Bezpečnosť nemeckej dogy pri plávaní
Keď v bežnej reči povieme o nejakej kvapaline, že je hustá, myslíme tým buď to, že je cool alebo to, že pomaly tečie a veľmi sa nerozprskáva. Vo fyzike však toto nie je hustota, ale úplne iná vlastnosť, ktorá sa nazýva viskozita kvapaliny.
Experimentálne overenie vztlakovej sily
Vztlakovú silu je možné experimentálne overiť pomocou jednoduchého experimentu.
Postup experimentu
- Nádobu naplníme vodou.
- Na silomer si zavesíme oceľový valček a odmeriame tiažovú silu.
- Potom valček ponoríme do nádoby s vodou a odmeriame tiažovú silu.
- Zapíšeme do tabuľky.
Z rozdielu tiažovej sily vo vzduchu a tiažovej sily vo vode môžeme vypočítať veľkosť vztlakovej sily.
Praktické aplikácie
Princípy plávania telies v kvapalinách majú široké uplatnenie v rôznych oblastiach.
Lode
Lode majú vzhľadom k svojej hmotnosti veľký objem. Lode majú veľké priestory vyplnené vzduchom.
Ponorky
Na podobnom princípe pracujú ponorky. Ponorka má komory, do ktorých napĺňa vodu. Tým sa zvyšuje hmotnosť ponorky a tá klesá ku dnu. Pri vyčerpávaní vody z komôr sa jej hmotnosť zmenšuje a ponorka sa vynára.
Pascalov zákon
Stláčaním PET fľaše sa vo vode zvýši tlak (Pascalov zákon). Vzduch je stlačiteľný.
Potápač
Potápač je pomenovaný podľa francúzskeho filozofa, matematika, predstaviteľa racionalizmu Reného Descartesa (1596 -1650), ktorý bol známy aj ako Cartesius.