Principiul lui Arhimede: de ce plutesc unele obiecte

Principiul lui Arhimede explică de ce o bucată de lemn stă la suprafața apei, o piatră de aceeași mărime se duce la fund, iar un vapor de oțel de mii de tone nu se scufundă. Un corp aflat într-un lichid este împins în sus cu o forță egală cu greutatea lichidului pe care îl dă la o parte. Dacă împingerea întrece greutatea corpului, corpul iese la suprafață.

Legenda spune că Arhimede din Siracuza, un matematician și inventator din Grecia Antică, ar fi descoperit regula în baie, observând cum urcă nivelul apei când intră în cadă. Indiferent cât din poveste e adevărat, regula rămâne una dintre cele mai folosite în inginerie. Mai jos vezi cum funcționează, de ce contează densitatea și unde o întâlnești în viața de zi cu zi.

Ce spune exact principiul lui Arhimede?

Un corp scufundat total sau parțial într-un fluid este împins de jos în sus cu o forță egală cu greutatea volumului de fluid dezlocuit de corp. Forța se numește forță arhimedică sau forță ascensională.

Prin „fluid” se înțeleg lichidele și gazele. Principiul funcționează deci și pentru un balon cu heliu în aer, nu doar pentru un obiect în apă. Pentru a-l aplica, nu te interesează forma obiectului, ci doar volumul de fluid pe care îl ocupă partea scufundată.

Poți verifica singur: umple un vas până la margine, pune-l într-o farfurie și scufundă încet un obiect. Apa care se revarsă în farfurie este exact volumul dezlocuit. Dacă o cântărești, ai greutatea fluidului egală cu forța care împinge obiectul în sus.

De ce depinde dacă un obiect plutește sau se scufundă?

Un obiect plutește când densitatea lui medie este mai mică decât densitatea fluidului și se scufundă când este mai mare. Densitatea este masa împărțită la volum și arată cât de „îndesată” este materia.

Atenție la cuvântul „medie”. Un vapor de oțel nu este un bloc compact: are cală largă, plină în mare parte cu aer. Densitatea medie a întregului vas, oțel plus aer, este mai mică decât a apei, deci vaporul plutește. Dacă se face o gaură și calele se umplu cu apă, densitatea medie crește și vasul se scufundă.

Cum plutește un vapor greu de oțel?

Vaporul plutește pentru că forma lui îi permite să dezloce un volum mare de apă, a cărui greutate egalează greutatea întregului vas. Un bloc de oțel de aceeași masă ar dezloca mult mai puțin și s-ar duce la fund.

Constructorii calculează dinainte ce volum scufundat are nevoie nava încărcată. Pe corpul vaselor vezi uneori linii desenate lângă linia de plutire, numite marca de încărcare; ele arată cât se poate scufunda nava în funcție de apa în care navighează, pentru că apa sărată și apa dulce au densități diferite.

Sfat: dacă vrei să înțelegi ușor ideea, modelează o bucată de plastilină în formă de bilă și apoi în formă de bărcuță. Bila se scufundă, bărcuța plutește, deși plastilina e aceeași.

De ce plutim mai ușor în apă sărată?

Apa sărată are o densitate mai mare decât apa dulce, deci dă la o parte o greutate mai mare pentru același volum scufundat, iar corpul este împins mai tare în sus. Pe litoral, în Marea Neagră, plutești mai ușor decât într-un lac de munte; în Marea Moartă, cu apă foarte sărată, plutirea e aproape fără efort.

Un experiment simplu la bucătărie: pune un ou crud într-un pahar cu apă simplă și se duce la fund. Adaugă sare, amestecă încet, iar oul începe să se ridice până plutește. Densitatea apei a crescut peste cea a oului. La sfârșitul experimentului, dacă torni cu grijă apă dulce pe deasupra, oul poate sta între cele două straturi.

Cum folosesc inginerii forța arhimedică?

Forța arhimedică este folosită la nave, la submarine, la baloanele cu aer cald și la geamandurile de semnalizare. Fiecare aplică aceeași regulă, dar controlează diferit volumul sau densitatea.

• Submarinele au tancuri de balast pe care le umplu cu apă ca să coboare și le golesc cu aer comprimat ca să urce.
• Balonul cu aer cald are în interior aer încălzit, deci mai puțin dens decât cel din afară, iar diferența îl ridică; este una dintre primele metode de zbor, înaintea avionului.
• Hidrometrul, un tub de sticlă cu greutate la bază, se scufundă mai mult sau mai puțin după densitatea lichidului; se folosește la măsurarea alcoolului din vin sau a acidului din bateriile auto.
• Vestele de salvare sunt umplute cu materiale foarte puțin dense, care măresc volumul fără să adauge greutate.

La baza acestor aplicații stă tot conceptul de forță al lui Isaac Newton, pe care îl găsești explicat în articolul despre legile lui Newton: forța ascensională echilibrează greutatea, iar suma lor devine zero atunci când corpul stă pe loc.

Cum se leagă principiul lui Arhimede de presiune și de gravitație?

Forța arhimedică apare pentru că presiunea unui fluid crește cu adâncimea. Partea de jos a unui corp scufundat primește o împingere în sus mai mare decât împingerea în jos pe partea de sus, iar diferența este forța ascensională.

Dacă vrei să înțelegi bine mecanismul, merită citit despre presiune și felul în care crește cu adâncimea. Iar greutatea corpului pe care o compari cu forța ascensională vine din atracția gravitațională. Pe un alt corp ceresc, cu gravitație diferită (poți începe cu fizica pe înțeles pentru context), ambele forțe s-ar schimba proporțional, iar un obiect care plutește pe Pământ ar pluti și acolo, dacă ar exista un lichid asemănător.