Bagaimana membuktikan adanya gaya apung Archimedean. Mulai dalam sains. Kondisi tubuh mengambang

Kita telah mengetahui bahwa gaya Archimedes merupakan resultan dari gaya-gaya tekanan fluida pada seluruh bagian tubuh. pada gambar. 22.5, a secara skematis menunjukkan gaya-gaya yang bekerja pada bagian-bagian dengan luas yang sama untuk benda dengan bentuk yang berubah-ubah. Dengan bertambahnya kedalaman, gaya-gaya ini meningkat - oleh karena itu, resultan dari semua gaya tekanan diarahkan ke atas.

Beras. 22.5. Untuk bukti hukum Archimedes untuk benda berbentuk arbitrer

Sekarang mari kita ganti tubuh yang secara mental terbenam dalam cairan dengan cairan yang sama, yang telah "mengeraskan", mempertahankan kerapatannya (Gbr. 22.5, b). Gaya Archimedes yang sama akan bekerja pada "benda" ini seperti pada benda ini: lagi pula, permukaan "benda" ini bertepatan dengan permukaan volume cairan yang dipilih, dan gaya tekanan pada bagian permukaan yang berbeda tetap sama. .

Volume cairan yang dipilih, "mengambang" di dalam cairan yang sama, berada dalam kesetimbangan. Ini berarti bahwa gaya gravitasi F t dan gaya Archimedes F A yang bekerja padanya saling menyeimbangkan, yaitu, mereka sama dalam nilai absolut dan berlawanan arah (Gbr. 22.5, c). Untuk benda yang diam, gravitasi sama dengan berat, yang berarti bahwa gaya Archimedes sama dengan berat volume cairan yang dialokasikan. Dan ini adalah volume bagian tubuh yang terbenam: bagaimanapun, kami secara mental menggantinya dengan cairan.

Jadi, kami telah membuktikan bahwa gaya Archimedes bekerja pada benda dengan bentuk yang berubah-ubah, sama dengan nilai absolut dengan berat cairan dalam volume yang ditempati oleh benda tersebut.

Bukti yang diberikan adalah contoh eksperimen pikiran. Ini adalah metode penalaran favorit bagi banyak ilmuwan. Galileo sangat menyukai eksperimen pemikiran. Tetapi kesimpulan yang diperoleh sebagai hasil dari eksperimen pikiran harus diverifikasi pada eksperimen nyata: bagaimanapun, dengan penalaran dan asumsi yang tidak dapat dihindari dalam eksperimen pemikiran apa pun, seseorang dapat membuat kesalahan. Oleh karena itu, kami tidak akan membatasi diri pada bukti teoretis hukum Archimedes di atas dan akan memeriksanya pada eksperimen yang sama indahnya.

Mari kita menempatkan pengalaman

Mari kita gantung ember kosong ke pegas (disebut ember Archimedes), dan padanya - batu kecil dengan bentuk sewenang-wenang (Gbr. 22.6, a). Kami mencatat perpanjangan pegas dan mengganti bejana di bawah batu, di mana air dituangkan ke tingkat pipa pembuangan (Gbr. 22.6, b). Ketika batu benar-benar terbenam, air yang dipindahkan olehnya akan mengalir melalui pipa pembuangan ke dalam gelas. Kita akan melihat bahwa pemanjangan pegas, karena aksi gaya apung, telah berkurang.

Beras. 22.6. Pengalaman menunjukkan bahwa gaya Archimedes sama dengan berat air yang dipindahkan oleh tubuh

Sekarang mari kita tuangkan air yang dipindahkan oleh batu dari gelas ke dalam ember Archimedes - dengan melakukan ini kita akan menambah berat batu hanya dengan berat air yang dipindahkan olehnya. Dan kita akan melihat bahwa pemanjangan pegas menjadi sama seperti sebelum batu dicelupkan ke dalam air (Gbr. 22.6, c). Ini berarti bahwa gaya Archimedes memang sama dalam modulus dengan berat air yang dipindahkan oleh batu!

Jika kita mengulangi percobaan, merendam batu dalam air hanya sebagian, kita akan melihat bahwa dalam hal ini gaya Archimedes sama dalam nilai absolut dengan berat air yang dipindahkan oleh batu.

Dalam pekerjaan laboratorium No. 9, Anda akan dapat menguji hukum Archimedes secara empiris.

1. Bagaimana Anda dapat membuktikan bahwa gaya yang mendorong keluar benda yang tenggelam seluruhnya sama dengan berat zat cair dalam volume benda tersebut?

Jawaban: sebagai hasil percobaan Archimedes dengan ember.

2. Apakah gaya apung bekerja pada benda yang terendam seluruhnya dalam gas?

Jawaban: ya.

3. Gaya Archimedean adalah kekuatan yang mendorong tubuh keluar dari cairan atau gas.

4. Mengapa gaya yang mendorong benda keluar dari cairan atau gas disebut gaya Archimedean?

Jawaban: untuk menghormati ilmuwan Yunani kuno Archimedes, yang pertama kali menunjukkan keberadaannya dan menghitung nilainya.

5. Apa kontribusi Archimedes (287-212 SM) untuk sains?

Jawaban: gaya apung. Untuk pertama kalinya dia menunjukkan adanya gaya dorong dan menghitung nilainya.

6. Dengan rumus apa gaya Archimedean ditentukan?

7. Lengkapi diagramnya.

8. Berapakah besar dan arah gaya yang dihasilkan yang bekerja pada pelampung gabus dengan volume V = 0,5 cm 3 yang tercelup seluruhnya ke dalam air sampai kedalaman tertentu? Massa jenis gabus dan air masing-masing sama dengan p t =200 kg/m 3 , p dalam = 103 kg/m 3 .

9. Sebuah batu bata dengan massa m k \u003d 1,8 kg, tergantung pada tali, direndam dalam air. Berapa kali gravitasi tali berubah?

2) Jika sebuah batu bata dicelupkan ke dalam air (lihat gambar di sebelah kanan), maka selain gravitasi,

10. Tugas apa yang ditetapkan raja Syracusan Hieron (200 SM) untuk Archimedes?

Jawab: untuk menentukan mahkota yang kokoh atau ada yang berlubang dan dia ditipu oleh pengrajin yang membuat mahkota tersebut.

11. Bagaimana Archimedes memecahkan masalah mahkota emas?

12. Dalam karangan apa hukum Archimedes dirumuskan?

Jawaban: tentang benda terapung.

Permyakova Julia

Tema proyek saya adalah "Badan renang".

Objektif : studi tentang hukum Archimedes, klarifikasi kondisi dan fitur renang tubuh, mengujinya dalam eksperimen.

Unduh:

Pratinjau:

MOU "OOSH dengan. Dorogovinovka, distrik Pugachevsky, wilayah Saratov

PROYEK

dalam fisika

dengan tema "Badan Berenang"

siswa kelas 7

MOU OOSH s. Dorogovinovka

Permyakova Julia Guru: Konnova I.V.

S. Dorogovinovka

tahun 2014

Saya Perkenalan

Tema proyek saya adalah "Badan renang".

Objektif : studi tentang hukum Archimedes, klarifikasi kondisi dan fitur renang tubuh, mengujinya dalam eksperimen.

Tugas:

1. Pilih dan pelajari literatur tentang topik tersebut.
2. Jelaskan sejarah penemuan prinsip Archimedes.
3. Buktikan adanya gaya Archimedean.
4. Periksa kondisi benda terapung dalam eksperimen.

II. BAGIAN UTAMA

1. Bagian teoretis

1.1. Tentang Archimedes

Archimedes lahir di kota Yunani Syracuse pada 287 SM. e., di mana dia tinggal hampir sepanjang hidupnya, dan di sana dia terlibat dalam kegiatan ilmiah. Dia belajar pertama dengan ayahnya, astronom dan matematikawan Phidias, kemudian di Alexandria, di mana penguasa Mesir mengumpulkan ilmuwan dan pemikir Yunani terbaik, dan juga mendirikan perpustakaan terbesar dan terkenal di dunia. Di sini, di Alexandria, Archimedes bertemu dengan murid-murid Euclid, yang dengannya dia memelihara korespondensi yang hidup sepanjang hidupnya. Di sini ia secara intensif mempelajari karya-karya Democritus, Eudoxus dan ilmuwan lainnya.

Setelah belajar di Alexandria, Archimedes kembali ke Syracuse lagi dan mewarisi posisi ayahnya, astronom istana.

Dalam istilah teoretis, karya ilmuwan besar ini sangat beragam. Karya-karya utama Archimedes menyangkut berbagai aplikasi praktis matematika (geometri), fisika, hidrostatika dan mekanika. Dia juga seorang insinyur akal yang menggunakan bakatnya untuk memecahkan sejumlah masalah praktis.

Tiga belas risalah Archimedes telah sampai kepada kita. Dalam yang paling terkenal di antaranya - "Pada bola dan silinder" (dalam dua buku), Archimedes menetapkan bahwa luas permukaan bola adalah 4 kali luas bagian terbesarnya. Karya Archimedes terdiri dari perhitungan area angka yang dibatasi oleh kurva, dan volume benda yang dibatasi oleh bidang sembarang - oleh karena itu, Archimedes dapat dianggap sebagai bapak kalkulus integral, yang muncul dua milenium kemudian.

Mereka mengatakan bahwa Archimedes menganggap penemuannya yang paling penting sebagai bukti bahwa volume bola dan silinder yang dijelaskan di sekitarnya terkait satu sama lain sebagai 2:3. Archimedes meminta teman-temannya untuk meletakkan bukti ini di batu nisannya.

Archimedes juga mencoba memecahkan masalah mengkuadratkan lingkaran dan mencapai hasil yang luar biasa dalam hal ini, menggabungkannya ke dalam karya "Pada Pengukuran Lingkaran":

1. Luas lingkaran sama dengan luas segitiga siku-siku dengan kaki sama dengan panjang dan jari-jari lingkaran ( hal 2).

2. Luas lingkaran berhubungan dengan luas persegi yang dideskripsikan di sekelilingnya sebagai 11:14.

3. Rasio keliling dengan diameter lebih besar dan kurang.

Archimedes pertama-tama menghitung angka "pi" - rasio keliling lingkaran dengan diameternya - dan membuktikan bahwa itu sama untuk semua lingkaran.

Archimedes juga menemukan jumlah tak terbatasderet geometri dengan penyebut . Dalam matematika, ini adalah contoh pertama dari infinit baris.

Dalam studi satu masalah, yang direduksi menjadi persamaan kubik, Archimedes menemukan peran karakteristik, yang kemudian dikenal sebagai diskriminan.

Archimedes memiliki rumus untuk menentukan luas segitiga berdasarkan ketiga sisinya (salah disebut rumus Heron).

Peran penting dalam pengembangan matematika dimainkan oleh esainya "Psammit" - "Tentang jumlah butir pasir", di mana ia menunjukkan caranya, menggunakan sistem bilangan yang adaAnda dapat mengekspresikan angka besar yang sewenang-wenang. Sebagai alasan untuk penalarannya, ia menggunakan masalah menghitung jumlah butir pasir di dalam alam semesta tampak. Dengan demikian, pendapat yang ada saat itu tentang keberadaan "angka terbesar" misterius itu terbantahkan.". Kami masih menggunakan sistem penamaan bilangan bulat yang ditemukan oleh Archimedes.

Temuan ilmiah yang tercantum hanyalah sebagian kecil dari karya Archimedes. Itu dengan rajin diterjemahkan dan dikomentari oleh orang-orang Arab, dan kemudian oleh para sarjana Eropa Barat.

Dalam fisika, Archimedes memperkenalkan konsep pusat gravitasi, menetapkan prinsip-prinsip ilmiah statika dan hidrostatika, dan memberikan contoh penerapan metode matematika dalam penelitian fisik. Ketentuan utama statika dirumuskan dalam esai "Tentang kesetimbangan angka-angka bidang." Archimedes mempertimbangkan penambahan gaya paralel, mendefinisikan konsep pusat gravitasi untuk berbagai angka, dan memberikan turunan dari hukum tuas. Hukum hidrostatika yang terkenal, yang memasuki sains dengan namanya (hukum Archimedes), dirumuskan dalam risalah "On Floating Bodies".

Dia dikreditkan dengan ungkapan terkenal: "Beri aku pijakan, dan aku akan menggerakkan bumi." Rupanya, itu diungkapkan sehubungan dengan peluncuran kapal"Sirakosia" ke air. Para pekerja tidak dapat memindahkan kapal ini. Mereka dibantu oleh Archimedes, yang menciptakan sistem balok (kerekan rantai), dengan bantuan satu orang, raja sendiri, melakukan pekerjaan ini.

1.2. Hukum Archimedes

Menurut legenda, rajaHiero menginstruksikan Archimedes untuk memeriksa apakah mahkotanya terbuat dari emas murni atau apakah pembuat perhiasan mengambil sebagian dari emas dengan mencampurkannya dengan perak. Memikirkan masalah ini, Archimedes entah bagaimana pergi ke bak mandi dan di sana, terjun ke bak mandi, memperhatikan bahwa jumlah air yang meluap di tepinya sama dengan jumlah air yang dipindahkan oleh tubuhnya. Pengamatan ini mendorong Archimedes untuk memecahkan masalah mahkota, dan dia, tanpa penundaan sedetik pun, melompat keluar dari bak mandi dan, seolah-olah telanjang, bergegas pulang, berteriak sekeras-kerasnya tentang penemuannya: “Eureka! Eureka!" (Yunani "Ditemukan! Ditemukan!")".

Fakta bahwa gaya tertentu bekerja pada tubuh yang direndam dalam air sudah diketahui semua orang: tubuh yang berat tampaknya menjadi lebih ringan - misalnya, tubuh kita sendiri ketika direndam dalam bak mandi. Berenang di sungai atau di laut, Anda dapat dengan mudah mengangkat dan memindahkan batu yang sangat berat di bagian bawah - batu yang tidak dapat diangkat di darat; fenomena yang sama diamati ketika, untuk beberapa alasan, seekor paus terdampar di pantai - hewan itu tidak dapat bergerak di luar lingkungan air - beratnya melebihi kemampuan sistem ototnya. Pada saat yang sama, benda ringan menolak terendam air: dibutuhkan kekuatan dan ketangkasan untuk menenggelamkan bola seukuran semangka kecil; kemungkinan besar tidak mungkin untuk merendam bola dengan diameter setengah meter. Secara intuitif jelas bahwa jawaban atas pertanyaan mengapa sebuah benda mengapung (dan yang lain tenggelam) berkaitan erat dengan aksi cairan pada benda yang terbenam di dalamnya; seseorang tidak dapat puas dengan jawaban bahwa benda ringan mengapung, dan benda berat tenggelam: pelat baja, tentu saja, akan tenggelam dalam air, tetapi jika Anda membuat sebuah kotak darinya, maka ia dapat mengapung; sedangkan beratnya tidak akan berubah.

Untuk memahami sifat gaya yang bekerja dari sisi fluida pada benda yang terendam, cukup dengan mempertimbangkan contoh sederhana (Gbr. 1).

Kubus direndam dalam air, dan air dan kubus tidak bergerak. Diketahui bahwa tekanan dalam cairan berat meningkat sebanding dengan kedalaman - jelas bahwa kolom cairan yang lebih tinggi menekan lebih kuat di pangkalan. Tekanan ini tidak hanya bekerja ke bawah, tetapi juga ke samping, dan ke atas dengan intensitas yang sama - ini adalah hukum Pascal.

Jika kita mempertimbangkan gaya yang bekerja pada kubus (Gbr. 1), maka, karena simetri yang jelas, gaya yang bekerja pada sisi yang berlawanan adalah sama dan berlawanan arah - mereka mencoba untuk menekan kubus, tetapi tidak dapat mempengaruhi keseimbangan atau gerakannya . Ada gaya yang bekerja pada permukaan atas dan bawah. Karena tekanan di kedalaman lebih besar daripada di permukaan cairan dan, dan , maka > . Karena gaya F 2 dan F 1 arahnya berlawanan, maka resultannya sama dengan selisih F 2-F1 dan diarahkan ke arah gaya yang lebih besar, yaitu ke atas. Resultan ini adalah gaya Archimedean, yaitu gaya yang mendorong benda keluar dari cairan.

Hukum Archimedes

Hukum Archimedes dirumuskan sebagai berikut:benda dalam cairan (atau gas) kehilangan beratnya sebanyak berat cairan (atau gas) dalam volume yang dipindahkan oleh tubuh.

1.3. Apa yang bergantung pada gaya apung?

Perilaku benda dalam fluida tergantung pada rasio antara modul gravitasi F t dan gaya Archimedean F SEBUAH yang bekerja pada tubuh ini. Tiga kasus berikut mungkin terjadi:

1. F t > F A - tubuh tenggelam;
2. F t \u003d F A - tubuh mengapung dalam cairan;
3. F t SEBUAH - tubuh mengapung sampai mulai mengapung di permukaan cairan.

Juga, perilaku benda dalam cairan tergantung pada rasio densitas benda dan cairan. Oleh karena itu, untuk menentukan perilaku suatu benda dalam suatu fluida, seseorang dapat membandingkan densitasnyatubuh dan cairan. Dalam hal ini, tiga situasi juga dimungkinkan:

1. dari tubuh > dari cairan - tubuh tenggelam
2. tubuh = cair - tubuh mengapung
3. tubuh cairan - tubuh melayang.

Mari kita beri contoh.

Massa jenis besi - 7800 kg / m 3 , densitas air – 1000 kg/m 3 . Ini berarti bahwa sepotong besi akan tenggelam dalam air. Kepadatan es – 900 kg/m 3 , densitas air – 1000 kg/m 3 , oleh karena itu, es tidak tenggelam dalam air, dan jika dilemparkan ke dalam air, ia akan mulai mengapung, dan akan mengapung di permukaan.

2. Bagian praktis

2.1. Bukti keberadaan kekuatan Archimedean

Mari kita lakukan percobaan: ambil sebuah silinder yang digantungkan pada dinamometer, ukur berat silinder ini. Rendam dalam wadah berisi air. Mari kita timbang lagi. Kami memperhatikan bahwa berat silinder menjadi lebih ringan.

Mari kita ulangi percobaan dengan badan lain - sekelompok kunci. Berat bundel yang direndam dalam air kembali menjadi lebih kecil.

Kesimpulan: setiap benda yang direndam dalam cairan dipengaruhi oleh gaya apung, yang disebut gaya Archimedean.

2.2. Perhitungan gaya Archimedean

Mari kita hitung gaya apung.

Untuk melakukan ini, kami mengukur berat badan di udara, lalu kami mengukur berat badan yang sama, tetapi benar-benar tenggelam dalam air. Selisih antara gaya-gaya ini akan menjadi nilai gaya Archimedean.

F A \u003d P di udara. -P dalam air.

Jika tidak, gaya Archimedean dapat dihitung, dengan mengetahui massa jenis cairan dan volume benda yang direndam dalam cairan ini, sesuai dengan rumus:

F A \u003d g W V t

2.3. Perbandingan antara gravitasi dan gaya Archimedean

Mari kita lakukan percobaan.

Mari kita ambil tubuh - botol dengan pasir. Mari kita tentukan gaya gravitasi dan gaya Archimedean yang bekerja pada benda ini. Mari kita bandingkan. Kita melihat bahwa jika:

F t > F A - tubuh tenggelam;

F t \u003d F A - tubuh mengapung dalam cairan;

F t SEBUAH - tubuh mengapung

Kesimpulan: perilaku benda dalam fluida tergantung pada rasio antara modul gravitasi F t dan gaya Archimedean F SEBUAH yang bekerja pada tubuh ini.

2.4 Perbandingan kepadatan cairan dan tubuh

Mari kita lakukan eksperimen lain. Mari kita ambil benda yang densitasnya lebih kecil atau lebih besar dari densitas air. Mari kita rendam mereka dalam air. Kita akan melihat itu“benda-benda yang lebih berat dari cairan, diturunkan ke dalamnya, tenggelam lebih dalam dan lebih dalam sampai mereka mencapai dasar, dan, berada di dalam cairan, kehilangan beratnya sebanyak berat cairan, diambil dalam volume tubuh, ” –seperti yang dikatakan Archimedes.

Kesimpulan: perilaku benda dalam cairan tergantung pada rasio kepadatan tubuh dan cairan.

2.5 Perbandingan gaya Archimedean yang bekerja pada benda dalam cairan dengan kerapatan berbeda

Mari kita lakukan percobaan: mari kita ambil dua cairan, berbeda kepadatannya: sampo dan air tawar, dan sepotong plastisin. Tentukan gaya apung yang bekerja pada plastisindari masing-masing cairan. Kita akan melihat bahwa gaya Archimedean ternyata berbeda: untuk cairan dengan kerapatan lebih tinggi (sampo), itu lebih besar daripada cairan dengan kerapatan lebih rendah (air tawar).

Teks karya ditempatkan tanpa gambar dan rumus.
Versi lengkap dari karya tersebut tersedia di tab "File Pekerjaan" dalam format PDF

pengantar

Relevansi: Jika Anda melihat lebih dekat pada dunia di sekitar Anda, Anda dapat menemukan banyak peristiwa yang terjadi di sekitar Anda. Sejak zaman kuno, manusia telah dikelilingi oleh air. Ketika kita berenang di dalamnya, tubuh kita mendorong beberapa kekuatan ke permukaan. Saya telah bertanya pada diri sendiri pertanyaan untuk waktu yang lama: “Mengapa tubuh mengapung atau tenggelam? Apakah air mendorong sesuatu keluar?

Pekerjaan penelitian saya bertujuan untuk memperdalam pengetahuan yang diperoleh dalam pelajaran tentang gaya Archimedean. Jawaban atas pertanyaan saya, menggunakan pengalaman hidup, pengamatan realitas di sekitarnya, melakukan eksperimen saya sendiri dan menjelaskan hasilnya, yang akan memperluas pengetahuan tentang topik ini. Semua ilmu saling berhubungan. Dan objek umum studi semua ilmu adalah manusia "plus" alam. Saya yakin bahwa studi tentang aksi gaya Archimedean relevan saat ini.

Hipotesa: Saya kira di rumah adalah mungkin untuk menghitung besarnya gaya apung yang bekerja pada benda yang direndam dalam cairan dan menentukan apakah itu tergantung pada sifat-sifat cairan, volume dan bentuk benda.

Objek studi: Daya apung dalam cairan.

Tugas:

Untuk mempelajari sejarah penemuan gaya Archimedean;

Untuk mempelajari literatur pendidikan tentang aksi gaya Archimedean;

Mengembangkan keterampilan untuk melakukan percobaan independen;

Buktikan bahwa nilai gaya apung bergantung pada densitas fluida.

Metode penelitian:

Riset;

Diperkirakan;

Pengambilan informasi;

Pengamatan

1. Penemuan kekuatan Archimedes

Ada legenda terkenal tentang bagaimana Archimedes berlari di jalan dan berteriak "Eureka!" Ini hanya menceritakan tentang penemuannya bahwa gaya apung air sama nilai absolutnya dengan berat air yang dipindahkan olehnya, yang volumenya sama dengan volume benda yang terbenam di dalamnya. Penemuan ini disebut hukum Archimedes.

Pada abad III SM, Hieron hidup - raja kota Yunani kuno Syracuse, dan dia ingin menjadikan dirinya mahkota baru dari emas murni. Dia mengukurnya dengan ketat sesuai kebutuhan, dan memberi perintah kepada toko perhiasan itu. Sebulan kemudian, sang master mengembalikan emas dalam bentuk mahkota dan beratnya sama dengan massa emas ini. Tapi bagaimanapun juga, apa pun bisa terjadi dan master bisa menipu dengan menambahkan perak atau lebih buruk lagi - tembaga, karena Anda tidak bisa membedakannya dengan mata, dan massanya sebagaimana mestinya. Dan raja ingin tahu: apakah pekerjaan itu dilakukan dengan jujur? Dan kemudian, dia bertanya kepada ilmuwan Archimedes, untuk memeriksa apakah sang master membuat mahkotanya dari emas murni. Seperti yang Anda ketahui, massa tubuh sama dengan produk kepadatan zat dari mana tubuh dibuat dan volumenya :. Jika benda yang berbeda memiliki massa yang sama, tetapi mereka terbuat dari zat yang berbeda, maka mereka akan memiliki volume yang berbeda. Jika tuan kembali kepada raja bukan mahkota yang terbuat dari perhiasan, yang volumenya tidak dapat ditentukan karena kerumitannya, tetapi sepotong logam dengan bentuk yang sama dengan yang diberikan raja kepadanya, maka akan segera menjadi jelas apakah dia mencampur logam lain di sana atau tidak. Dan saat mandi, Archimedes memperhatikan bahwa air mengalir keluar darinya. Dia menduga bahwa itu dicurahkan persis dalam volume yang ditempati oleh bagian-bagian tubuhnya yang direndam dalam air. Dan Archimedes menyadari bahwa volume mahkota dapat ditentukan oleh volume air yang dipindahkan olehnya. Nah, jika Anda dapat mengukur volume mahkota, maka itu dapat dibandingkan dengan volume sepotong emas, yang sama massanya. Archimedes merendam mahkota dalam air dan mengukur bagaimana volume air meningkat. Dia juga mencelupkan sepotong emas ke dalam air, yang massanya sama dengan mahkota. Dan kemudian dia mengukur bagaimana volume air meningkat. Volume air yang dipindahkan dalam dua kasus berbeda. Dengan demikian, sang master dihukum karena penipuan, dan sains diperkaya dengan penemuan yang luar biasa.

Diketahui dari sejarah bahwa masalah mahkota emas mendorong Archimedes untuk mempelajari pertanyaan tentang melayangnya tubuh. Eksperimen yang dilakukan oleh Archimedes dijelaskan dalam esai "On Floating Bodies", yang telah sampai kepada kita. Kalimat ketujuh (teorema) karya ini dirumuskan oleh Archimedes sebagai berikut: benda yang lebih berat dari zat cair, dicelupkan ke dalam zat cair ini, akan tenggelam sampai ke dasar, dan di dalam zat cair akan menjadi lebih ringan karena berat zat cair. dalam volume yang sama dengan volume benda yang terendam.

Menariknya, gaya Archimedes adalah nol ketika benda yang direndam dalam cairan padat, dengan seluruh alasnya ditekan ke bawah.

Penemuan hukum dasar hidrostatika merupakan pencapaian terbesar ilmu pengetahuan kuno.

2. Rumusan dan Penjelasan Hukum Archimedes

Hukum Archimedes menggambarkan aksi cairan dan gas pada benda yang terbenam di dalamnya, dan merupakan salah satu hukum utama hidrostatika dan statika gas.

Hukum Archimedes dirumuskan sebagai berikut: gaya apung bekerja pada benda yang direndam dalam cairan (atau gas), sama dengan berat cairan (atau gas) dalam volume bagian tubuh yang terbenam - gaya ini disebut kekuatan Archimedes:

,

di mana massa jenis cairan (gas), adalah percepatan jatuh bebas, adalah volume bagian tubuh yang terbenam (atau bagian volume tubuh di bawah permukaan).

Oleh karena itu, gaya Archimedean hanya bergantung pada kerapatan cairan di mana benda itu terbenam, dan pada volume benda itu. Tetapi itu tidak tergantung, misalnya, pada kerapatan zat benda yang direndam dalam cairan, karena jumlah ini tidak termasuk dalam rumus yang dihasilkan.

Perlu dicatat bahwa tubuh harus benar-benar dikelilingi oleh cairan (atau bersinggungan dengan permukaan cairan). Jadi, misalnya, hukum Archimedes tidak dapat diterapkan pada kubus yang terletak di bagian bawah tangki, menyentuh bagian bawah secara kedap udara.

3. Penentuan kekuatan Archimedes

Gaya yang mendorong benda dalam cairan keluar dapat ditentukan secara eksperimental menggunakan perangkat ini:

Kami menggantung ember kecil dan badan silinder pada pegas yang dipasang di tripod. Kami menandai peregangan pegas dengan panah pada tripod, menunjukkan berat badan di udara. Mengangkat tubuh, kami mengganti gelas dengan tabung pembuangan di bawahnya, diisi dengan cairan ke tingkat tabung pembuangan. Kemudian seluruh tubuh direndam dalam cairan. Dalam hal ini, bagian dari cairan, yang volumenya sama dengan volume tubuh, dituangkan dari bejana penuang ke dalam gelas. Penunjuk pegas naik, pegas berkontraksi, menunjukkan penurunan berat badan dalam cairan. Dalam hal ini, bersama dengan gaya gravitasi, tubuh juga dipengaruhi oleh gaya yang mendorongnya keluar dari cairan. Jika Anda menuangkan cairan dari gelas ke dalam ember (yaitu, yang dipindahkan oleh tubuh), maka penunjuk pegas akan kembali ke posisi semula.

Berdasarkan pengalaman ini, kita dapat menyimpulkan bahwa gaya yang mendorong keluar benda yang tercelup seluruhnya ke dalam zat cair sama dengan berat zat cair dalam volume benda tersebut. Ketergantungan tekanan dalam cairan (gas) pada kedalaman perendaman tubuh menyebabkan munculnya gaya apung (gaya Archimedes) yang bekerja pada setiap benda yang direndam dalam cairan atau gas. Tubuh bergerak ke bawah di bawah pengaruh gravitasi. Gaya Archimedean selalu berlawanan arah dengan gravitasi, sehingga berat benda dalam cairan atau gas selalu lebih kecil dari berat benda ini dalam ruang hampa.

Pengalaman ini menegaskan bahwa gaya Archimedean sama dengan berat cairan dalam volume tubuh.

4. Kondisi benda terapung

Dua gaya bekerja pada benda di dalam cairan: gravitasi, diarahkan vertikal ke bawah, dan gaya Archimedean, diarahkan vertikal ke atas. Pertimbangkan apa yang akan terjadi pada tubuh di bawah aksi kekuatan-kekuatan ini, jika pada awalnya tidak bergerak.

Dalam hal ini, tiga kasus dimungkinkan:

1) Jika gaya gravitasi lebih besar dari gaya Archimedean, maka tubuh tenggelam, yaitu tenggelam:

, lalu tubuh tenggelam;

2) Jika modulus gravitasi sama dengan modulus gaya Archimedean, maka benda dapat berada dalam kesetimbangan di dalam fluida pada kedalaman berapa pun:

, kemudian tubuh mengapung;

3) Jika gaya Archimedean lebih besar dari gaya gravitasi, maka tubuh akan naik dari cairan - mengapung:

, kemudian tubuh mengapung.

Jika benda terapung sebagian menonjol di atas permukaan zat cair, maka volume benda terapung yang terendam adalah sedemikian rupa sehingga berat zat cair yang dipindahkan sama dengan berat benda terapung.

Gaya Archimedean lebih besar dari gaya gravitasi jika massa jenis zat cair lebih besar dari massa jenis benda yang dicelupkan ke dalam zat cair, jika

1) \u003d - tubuh mengapung dalam cairan atau gas, 2) >tubuh tenggelam 3) < — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Prinsip-prinsip hubungan antara gravitasi dan gaya Archimedes inilah yang digunakan dalam pembuatan kapal. Namun, kapal sungai dan laut besar yang terbuat dari baja, yang massa jenisnya hampir 8 kali lebih besar dari massa jenis air, tetap berada di atas air. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa hanya lambung kapal yang relatif tipis yang terbuat dari baja, dan sebagian besar volumenya ditempati oleh udara. Dalam hal ini, nilai rata-rata kerapatan kapal ternyata jauh lebih kecil daripada kerapatan air; oleh karena itu, tidak hanya tidak tenggelam, tetapi juga dapat mengambil kargo dalam jumlah besar untuk transportasi. Kapal yang mengapung di sungai, danau, laut dan samudera dibangun dari bahan yang berbeda dengan kepadatan yang berbeda. Lambung kapal biasanya terbuat dari lembaran baja. Semua pengencang internal yang memberi kekuatan pada kapal juga terbuat dari logam. Untuk konstruksi kapal, bahan yang berbeda digunakan, memiliki kepadatan lebih tinggi dan lebih rendah dibandingkan dengan air. Berat air yang dipindahkan oleh bagian bawah air kapal sama dengan berat kapal dengan muatan di udara atau gaya gravitasi yang bekerja pada kapal dengan muatan.

Untuk aeronautika, balon pertama kali digunakan, yang sebelumnya diisi dengan udara panas, sekarang dengan hidrogen atau helium. Agar bola dapat naik ke udara, diperlukan gaya Archimedean (apung) yang bekerja pada bola lebih besar dari gaya gravitasi.

5. Melakukan percobaan

Selidiki perilaku telur mentah dalam berbagai jenis cairan.

Tugas: buktikan bahwa nilai gaya apung bergantung pada massa jenis zat cair.

Saya mengambil satu telur mentah dan cairan dari berbagai jenis (Lampiran 1):

Airnya bersih;

Air jenuh dengan garam;

Minyak bunga matahari.

Pertama, saya menurunkan telur mentah ke dalam air bersih - telur tenggelam - "masuk ke bawah" (Lampiran 2). Kemudian saya tambahkan satu sendok makan garam meja ke dalam segelas air bersih, alhasil telur terapung (Lampiran 3). Dan akhirnya, saya menurunkan telur ke dalam gelas dengan minyak bunga matahari - telur tenggelam ke dasar (Lampiran 4).

Kesimpulan: dalam kasus pertama, massa jenis telur lebih besar daripada massa jenis air, dan karena itu telur tenggelam. Pada kasus kedua, massa jenis air garam lebih besar dari massa jenis telur, sehingga telur mengapung di dalam cairan. Pada kasus ketiga, massa jenis telur juga lebih besar dari massa jenis minyak bunga matahari, sehingga telur tenggelam. Oleh karena itu, semakin besar densitas cairan, semakin rendah gaya gravitasi.

2. Aksi gaya Archimedean pada tubuh manusia di dalam air.

Tentukan dengan pengalaman kepadatan tubuh manusia, bandingkan dengan kepadatan air tawar dan air laut dan buat kesimpulan tentang kemungkinan mendasar seseorang untuk berenang;

Hitung berat seseorang di udara, gaya Archimedean yang bekerja pada seseorang di dalam air.

Pertama, saya menggunakan timbangan untuk mengukur berat badan saya. Kemudian dia mengukur volume tubuh (tanpa volume kepala). Untuk melakukan ini, saya menuangkan air yang cukup ke dalam bak mandi sehingga ketika saya direndam dalam air, saya benar-benar berada di dalam air (kecuali kepala). Kemudian, dengan bantuan selotip sentimeter, saya menandai dari tepi atas bak mandi jarak ke permukaan air 1, dan kemudian - ketika direndam dalam air 2. Setelah itu, menggunakan toples tiga liter yang telah dikalibrasi sebelumnya, saya mulai menuangkan air ke dalam bak mandi dari level 1 ke level 2 - jadi saya mengukur volume air yang dipindahkan oleh saya (Lampiran 5). Saya menghitung kepadatan menggunakan rumus:

Gaya gravitasi yang bekerja pada benda di udara dihitung dengan rumus: , dimana percepatan jatuh bebas 10 . Nilai gaya apung dihitung dengan menggunakan rumus yang dijelaskan pada paragraf 2.

Kesimpulan: Tubuh manusia lebih padat daripada air tawar, yang berarti tenggelam di dalamnya. Lebih mudah bagi seseorang untuk berenang di laut daripada di sungai, karena massa jenis air laut lebih besar, dan oleh karena itu nilai gaya apung lebih besar.

Kesimpulan

Dalam proses mengerjakan topik ini, kami belajar banyak hal baru dan menarik untuk diri kami sendiri. Lingkaran pengetahuan kita telah meningkat tidak hanya di bidang aksi kekuatan Archimedes, tetapi juga dalam penerapannya dalam kehidupan. Sebelum mulai bekerja, kami memiliki ide yang jauh dari detail. Selama percobaan, kami secara eksperimental mengkonfirmasi validitas hukum Archimedes dan menemukan bahwa gaya apung tergantung pada volume benda dan kepadatan cairan, semakin besar kepadatan cairan, semakin besar gaya Archimedean. Gaya yang dihasilkan, yang menentukan perilaku benda dalam fluida, bergantung pada massa, volume benda, dan densitas fluida.

Selain eksperimen yang dilakukan, literatur tambahan dipelajari tentang penemuan gaya Archimedes, navigasi badan, dan aeronautika.

Anda masing-masing dapat membuat penemuan luar biasa, dan untuk ini Anda tidak perlu memiliki pengetahuan khusus atau peralatan yang kuat. Anda hanya perlu melihat lebih dekat pada dunia di sekitar kita, menjadi sedikit lebih mandiri dalam penilaian Anda, dan penemuan tidak akan membuat Anda menunggu. Keengganan kebanyakan orang untuk belajar tentang dunia di sekitar mereka meninggalkan banyak ruang untuk rasa ingin tahu di tempat-tempat yang paling tidak terduga.

Bibliografi

1. Buku besar eksperimen untuk anak sekolah - M.: Rosmen, 2009. - 264 hal.

2. Wikipedia: https://ru.wikipedia.org/wiki/Law_Archimedes.

3. Perelman Ya.I. Fisika yang menghibur. - buku 1. - Yekaterinburg.: Tesis, 1994.

4. Perelman Ya.I. Fisika yang menghibur. - buku 2. - Ekaterinburg.: Tesis, 1994.

5. Peryshkin A.V. Fisika: kelas 7: buku teks untuk lembaga pendidikan / A.V. Peryshkin. - Edisi ke-16, stereotip. - M.: Bustard, 2013. - 192 hal.: sakit.

Lampiran 1

Lampiran 2

Lampiran 3

Lampiran 4

PENGALAMAN pada topik "Kekuatan Archimedean"

Sains itu indah, menarik dan menyenangkan. Tetapi sulit untuk percaya pada keajaiban dari kata-kata, Anda harus menyentuhnya dengan tangan Anda sendiri. Ada pengalaman - menghibur!
Dan jika Anda berhati-hati
Pikiran mandiri
Dan dengan fisika pada "kamu"
Pengalaman itu menghibur -
Ceria, menggairahkan -
Akan mengungkapkan rahasia kepada Anda
Dan mimpi baru!

1) Air hidup dan air mati

Letakkan di atas meja sebuah toples kaca liter berisi 2/3 air, dan dua gelas berisi cairan: satu dengan tulisan "air hidup", yang lain dengan tulisan "mati". Celupkan umbi kentang (atau telur mentah) ke dalam stoples. Dia tenggelam. Tambahkan air "hidup" ke dalam toples - umbinya akan mengapung, tambahkan air "mati" - itu akan tenggelam lagi. Dengan menambahkan satu atau lain cairan, Anda bisa mendapatkan solusi di mana umbinya tidak akan mengapung ke permukaan, tetapi juga tidak akan turun ke bawah.
Rahasia percobaan adalah bahwa di gelas pertama ada larutan garam meja jenuh, di gelas kedua - air biasa. (Kiat: sebelum demonstrasi, lebih baik mengupas kentang, dan menuangkan larutan garam yang lemah ke dalam toples sehingga sedikit peningkatan konsentrasinya menyebabkan efek).

2) Penyelam pipet Carthusian

Isi pipet dengan air sehingga mengapung secara vertikal, hampir seluruhnya terendam air. Celupkan pipet penyelam ke dalam botol plastik bening yang diisi air sampai penuh. Tutup botol rapat-rapat dengan penutup. Saat menekan dinding kapal, penyelam akan mulai mengisi air. Dengan mengubah tekanan, mintalah penyelam untuk mengikuti perintah Anda: “Turun!”, “Naik!” dan "Berhenti!" (berhenti pada kedalaman berapa pun).

3) Kentang yang tidak dapat diprediksi

(Eksperimen dapat dilakukan dengan telur). Celupkan umbi kentang ke dalam wadah kaca yang setengah diisi dengan larutan garam meja. Dia mengapung di permukaan.
Apa yang terjadi pada kentang jika Anda menambahkan air ke dalam wadah? Jawaban yang biasa adalah kentang akan mengapung. Tuang air dengan hati-hati (kepadatannya kurang dari kerapatan larutan dan telur) melalui corong di sepanjang dinding bejana sampai penuh. Kentang, yang mengejutkan penonton, tetap pada level yang sama.

4) Memutar buah persik

Tuang ke dalam segelas air soda. Karbon dioksida terlarut dalam cairan di bawah tekanan akan mulai keluar dari itu. Tempatkan buah persik dalam gelas. Ini akan segera mengapung ke permukaan dan ... mulai berputar seperti roda. Ini akan berperilaku seperti ini untuk waktu yang cukup lama.

Untuk memahami alasan rotasi ini, lihat lebih dekat apa yang terjadi. Perhatikan kulit buah yang beludru, pada bulu-bulu yang akan menempel gelembung gas. Karena akan selalu ada lebih banyak gelembung pada setengah buah persik, gaya apung yang besar bekerja padanya, dan buah itu muncul.

5) Kekuatan Archimedes dalam materi massal

Pada pertunjukan Archimedes Legacy, penduduk Syracuse berkompetisi dalam "mendapatkan mutiara dari dasar laut". Demonstrasi serupa tetapi lebih sederhana dapat diulang menggunakan toples kaca kecil millet (nasi). Tempatkan bola tenis (atau sumbat gabus) di dalamnya dan tutup. Balikkan toples sehingga bola berada di bagian bawahnya di bawah millet. Jika Anda membuat sedikit getaran (goyangkan tabung sedikit ke atas dan ke bawah), maka gaya gesekan antara butiran millet akan berkurang, mereka akan menjadi mobile dan bola akan mengapung ke permukaan di bawah aksi gaya Archimedes setelah beberapa saat. .

6) Paket itu terbang tanpa sayap

Tempatkan lilin, nyalakan, pegang tas di atasnya, udara di dalam tas akan memanas,

Setelah melepaskan paket, lihat bagaimana paket akan terbang di bawah aksi gaya Archimedes.

7) Perenang yang berbeda berenang secara berbeda

Tuang air dan minyak ke dalam wadah. Turunkan mur, sumbat dan potongan es. Kacang akan berada di bawah, sumbat akan berada di permukaan minyak, es akan berada di permukaan air di bawah lapisan minyak.

Hal ini disebabkan oleh kondisi badan renang:

kekuatan Archimedes lebih besar dari gravitasi gabus - gabus mengapung di permukaan,

gaya Archimedes lebih kecil dari gaya gravitasi yang bekerja pada mur - mur tenggelam

gaya Archimedes yang bekerja pada sepotong es lebih besar daripada gravitasi es - gabus mengapung di permukaan air, tetapi karena massa jenis minyak lebih kecil dari massa jenis air, dan lebih kecil dari massa jenis es - minyak akan tetap berada di permukaan di atas es dan air

8) Pengalaman menegaskan hukum

Gantung ember dan silinder dari pegas. Volume silinder sama dengan volume internal ember. Ekstensi pegas ditandai dengan pointer. Benamkan seluruh silinder dalam bejana tuang berisi air. Air dituangkan ke dalam gelas.

Volume air yang tumpah adalahtentangvolume benda yang terendam air. Penunjuk pegas menandai pengurangan berat silinder di dalam air yang disebabkan oleh aksidikekuatan apung.

Tuangkan air dari gelas ke dalam ember dan Anda akan melihat bahwa penunjuk pegas kembali ke posisi semula. Jadi, di bawah aksi gaya Archimedean, pegas berkontraksi, dan di bawah pengaruh berat air yang dipindahkan, ia kembali ke posisi semula. Gaya Archimedean sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda.

9) Kehilangan keseimbangan

Buat silinder kertas, gantung terbalik pada tuas dan keseimbangan.

Mari kita membawa lampu semangat di bawah silinder. Di bawah aksi panas, keseimbangan terganggu, kapal naik. Saat kekuatan Archimedes tumbuh.

Sepertikerang diisi dengan gas hangat atau udara panas disebut balon dan digunakan untuk aeronautika.

KESIMPULAN

Setelah melakukan eksperimen, kami yakin bahwa benda yang direndam dalam cairan, gas, dan bahkan zat curah dipengaruhi oleh gaya Archimedes yang diarahkan secara vertikal ke atas. Gaya Archimedean tidak bergantung pada bentuk benda, kedalaman perendamannya, kepadatan benda dan massanya. Gaya Archimedes sama dengan berat cairan dalam volume bagian tubuh yang terendam.