Prawo Archimedesa

Dlaczego stalowy statek pływa, a stalowa kulka tonie?

Fw— = ρc— · g9,81 m/s² · Vzan— > W—

Co pokazuje model

Zbiornik z cieczą i ciało, które możesz chwycić myszą, wcisnąć pod powierzchnię i puścić. Niebieskie strzałki na ściankach to parcie cieczy: im głębiej, tym dłuższe. Duże strzałki w środku ciała to dwie siły, które decydują o wszystkim: ciężar i wypór. Menzura obok zbiornika pokazuje, jaka część objętości ciała wyparła ciecz.

Skąd bierze się wypór

Ciśnienie w cieczy rośnie z głębokością: p = ρc g h. Parcie na boczne ścianki znosi się, bo z każdej strony jest takie samo. Dolna ścianka jest głębiej niż górna, więc ciecz naciska na nią mocniej. Ta różnica to wypór. Dla sześcianu o polu podstawy A:

Fw = pdół A − pgóra A = ρc g (hdół − hgóra) A = ρc g Vzan

Wzór jest prawdziwy dla każdego kształtu. Wyobraź sobie w cieczy porcję tej samej cieczy o dowolnym kształcie. Stoi w miejscu, więc otaczająca ciecz musi ją podtrzymywać siłą równą jej ciężarowi. Włóż w to miejsce inne ciało: ciecz dookoła naciska tak samo, więc wypór równa się ciężarowi wypartej cieczy.

Pływa czy tonie

Ciało całkowicie zanurzone ma wypór ρc g V, a ciężar ρ g V. Objętość się skraca, więc rozstrzyga tylko porównanie gęstości.

Gdzie to działa w inżynierii

Kiedy prawo obowiązuje

Siły liczone są dokładnie z geometrii części zanurzonej, a poziom cieczy rośnie o objętość wypartą. Ruch odbywa się tylko w pionie: model nie pokazuje obrotu ciała, a stateczność przechyłu to osobne zagadnienie. Opór i masę dodaną przyjęto szacunkowo, więc czas kołysania jest przybliżony. Stan równowagi od nich nie zależy. Fale są poglądowe. Długość strzałek parcia jest proporcjonalna do ciśnienia i ograniczona.