Dəniz səthində balonların uçuşunu və gəmilərin hərəkətini izləyən bir çox insan maraqlanır: bu nəqliyyat vasitələrini səmaya qaldıran və ya bu nəqliyyat vasitələrini suyun səthində saxlayan nədir? Bu sualın cavabı üzgüçülükdür. Məqalədə buna daha yaxından nəzər salaq.
Mayelər və onlarda statik təzyiq
Maye maddənin iki ümumi vəziyyətidir: qaz və maye. Onlara hər hansı tangensial qüvvənin təsiri maddənin bəzi təbəqələrinin digərlərinə nisbətən yerdəyişməsinə səbəb olur, yəni maddə axmağa başlayır.
Mayelər və qazlar kosmosda, məsələn, bərk cisimlərdəki kimi müəyyən mövqeyə malik olmayan elementar hissəciklərdən (molekullar, atomlar) ibarətdir. Onlar daim müxtəlif istiqamətlərdə hərəkət edirlər. Qazlarda bu xaotik hərəkət mayelərə nisbətən daha intensiv olur. Qeyd olunan fakta görə, maye maddələr onlara tətbiq olunan təzyiqi bütün istiqamətlərə bərabər şəkildə ötürə bilir (Paskal qanunu).
Kosmosda bütün hərəkət istiqamətləri bərabər olduğundan, hər hansı elementar üzərində ümumi təzyiqmayenin daxilindəki həcm sıfırdır.
Sözügedən maddə qravitasiya sahəsinə, məsələn, Yerin cazibə sahəsinə yerləşdirilərsə, vəziyyət kökündən dəyişir. Bu halda, hər bir maye və ya qaz təbəqəsi müəyyən bir çəkiyə malikdir və onun altındakı təbəqələrə basır. Bu təzyiqə statik təzyiq deyilir. Dərinliyi h ilə birbaşa mütənasib olaraq artır. Beləliklə, sıxlığı ρl olan maye vəziyyətində hidrostatik təzyiq P aşağıdakı düsturla müəyyən edilir:
P=ρlgh.
Burada g=9,81 m/s2- planetimizin səthinə yaxın sərbəst düşmə sürəti.
Hidrostatik təzyiq ən azı bir dəfə suyun altında bir neçə metr dalış etmiş hər bir şəxs tərəfindən hiss olunub.
Sonra mayelərin timsalında üzmə qabiliyyəti məsələsini nəzərdən keçirin. Bununla belə, veriləcək bütün nəticələr qazlar üçün də etibarlıdır.
Hidrostatik təzyiq və Arximed qanunu
Aşağıdakı sadə təcrübəni quraq. Müntəzəm həndəsi formalı bir cismi götürək, məsələn, bir kub. Kubun tərəfinin uzunluğu a olsun. Bu kubu suya elə batıraq ki, onun yuxarı üzü h dərinliyində olsun. Su kubun üzərinə nə qədər təzyiq edir?
Yuxarıdakı suala cavab vermək üçün fiqurun hər bir üzünə təsir edən hidrostatik təzyiqin miqdarını nəzərə almaq lazımdır. Aydındır ki, bütün yan üzlərə təsir edən ümumi təzyiq sıfıra bərabər olacaq (sol tərəfdəki təzyiq sağdakı təzyiqlə kompensasiya ediləcək). Üst üzdəki hidrostatik təzyiq belə olacaq:
P1=ρlgh.
Bu təzyiq aşağıya doğrudur. Onun müvafiq qüvvəsi:
F1=P1S=ρlghS.
Burada S kvadrat üzün sahəsidir.
Kubun alt üzünə təsir edən hidrostatik təzyiqlə əlaqəli qüvvə bərabər olacaq:
F2=ρlg(h+a)S.
F2qüvvə yuxarıya doğru yönəldilir. Sonra yaranan qüvvə də yuxarıya doğru yönəldiləcəkdir. Onun mənası:
F=F2- F1=ρlg(h+a)S - ρlghS=ρlgaS.
Qeyd edək ki, kubun kənar uzunluğu və üz sahəsi S hasilinin həcmi V-dir. Bu fakt bizə düsturu aşağıdakı kimi yenidən yazmağa imkan verir:
F=ρlgV.
Üzdürmə qüvvəsinin bu düsturunda deyilir ki, F-nin qiyməti cismin suya batırılma dərinliyindən asılı deyil. V cismin həcmi onun yerdəyişdirdiyi maye Vl həcmi ilə üst-üstə düşdüyü üçün yaza bilərik:
FA=ρlgVl.
Üzdürmə qüvvəsi düsturu FA adətən Arximed qanununun riyazi ifadəsi adlanır. İlk dəfə eramızdan əvvəl III əsrdə qədim yunan filosofu tərəfindən yaradılmışdır. Arximed qanununu belə formalaşdırmaq adətdir: əgər cisim maye maddəyə batırılırsa, ona şaquli olaraq yuxarıya doğru hərəkət edən qüvvə təsir edir ki, bu da cismin yerindən tərpəndiyi cismin ağırlığına bərabərdir.maddələr. Üzmə qüvvəsinə Arximed qüvvəsi və ya qaldırıcı qüvvə də deyilir.
Maye maddəyə batırılmış bərk cismə təsir edən qüvvələr
Cismin üzməsi və ya batması sualına cavab vermək üçün bu qüvvələri bilmək vacibdir. Ümumiyyətlə, onlardan yalnız ikisi var:
- qravitasiya və ya bədən çəkisi Fg;
- üzərmə qüvvəsi FA.
Əgər Fg>FA, onda cəsədin batacağını əminliklə söyləmək olar. Əksinə, əgər Fg<FA, onda bədən maddənin səthinə yapışacaq. Onu batırmaq üçün siz FA-Fg xarici qüvvə tətbiq etməlisiniz.
Adları çəkilən qüvvələrin düsturlarını göstərilən bərabərsizliklərə əvəz etməklə, cisimlərin üzməsi üçün riyazi şərt əldə etmək olar. Belə görünür:
ρs<ρl.
Burada ρs bədənin orta sıxlığıdır.
Yuxarıda göstərilən şərtin təsirini praktikada nümayiş etdirmək asandır. Biri bərk, digəri isə içi boş olan iki metal kub götürmək kifayətdir. Onları suya atsanız, birincisi batacaq, ikincisi isə suyun səthində üzəcək.
Praktikada üzmə qabiliyyətindən istifadə
Su üzərində və ya altında hərəkət edən bütün nəqliyyat vasitələri Arximed prinsipindən istifadə edir. Beləliklə, gəmilərin yerdəyişməsi maksimum üzmə qüvvəsi haqqında bilik əsasında hesablanır. Su altı qayıqlar dəyişirxüsusi ballast kameralarının köməyi ilə onların orta sıxlığı üzə və ya bata bilər.
Bədənin orta sıxlığının dəyişməsinin bariz nümunəsi insanın xilasedici jiletlərdən istifadə etməsidir. Onlar ümumi həcmi əhəmiyyətli dərəcədə artırır və eyni zamanda praktiki olaraq insanın çəkisini dəyişmir.
Bir şarın və ya heliumla doldurulmuş körpə balonlarının səmaya qalxması üzən Arximed gücünün ən yaxşı nümunəsidir. Onun görünüşü isti havanın və ya qazın və soyuq havanın sıxlığı arasındakı fərqlə bağlıdır.
Suda Arximed qüvvəsinin hesablanması problemi
Boş top tamamilə suya batırılır. Topun radiusu 10 sm-dir. Suyun üzmə qabiliyyətini hesablamaq lazımdır.
Bu problemi həll etmək üçün topun hansı materialdan hazırlandığını bilmək lazım deyil. Yalnız onun həcmini tapmaq lazımdır. Sonuncu düsturla hesablanır:
V=4/3pir3.
Sonra suyun Arximed qüvvəsini təyin etmək üçün ifadə belə yazılacaq:
FA=4/3pir3ρlg.
Topun radiusunu və suyun sıxlığını (1000 kq/m3) əvəz etsək, üzmə qüvvəsinin 41,1 N olduğunu alırıq.
Arximed qüvvələrini müqayisə etmək problemi
İki cəsəd var. Birincinin həcmi 200 sm3, ikincisi isə 170 sm3-dir. Birinci cəsəd təmiz etil spirtinə, ikincisi isə suya batırıldı. Bu cisimlərə təsir edən qaldırıcı qüvvələrin eyni olub olmadığını müəyyən etmək lazımdır.
Müvafiq Arximed qüvvələri cismin həcmindən və mayenin sıxlığından asılıdır. Su üçün sıxlıq 1000 kq/m3, etil spirti üçün 789 kq/m3 təşkil edir. Bu məlumatlardan istifadə edərək hər bir mayenin üzmə qüvvəsini hesablayın:
Su üçün
: FA=100017010-69, 81 ≈ 1, 67 N;
spirt üçün: FA=78920010-69, 81 ≈ 1, 55 N.
Beləliklə, suda Arximed qüvvəsi spirtdən 0,12 N böyükdür.
