Lực đẩy Ác-si-mét và sự nổi của các vật
Tại sao tàu ngầm có thể lặn xuống và nổi lên?
Lực đẩy Ác-si-mét và sự nổi của các vật
Lực đẩy Ác-si-mét là lực tác động bởi một chất lưu lên vật đặt trong chất lưu đó. Lực đẩy Ác-si-mét cùng phương, ngược hướng với trọng lực và quyết định đến sự nổi của một vật.
Tàu chở dầu Mont từng có tên khác là Knock Nevis, Jahre Viking, Happy Giant hay Seawise Giant. Nó có chiều dài 458,45 m, rộng 68,8 m và nặng 260,941 tấn. Nếu dựng đứng, Mont sẽ cao hơn 108,45 m so với tòa tháp Keangnam ở Việt Nam. Động cơ 50.000 mã lực cho phép tàu di chuyển với vận tốc tối đa 30 km/h.
Thông qua hai câu thơ vần điệu trên đã chứng tỏ sự nổi của một vật là một hiện tượng vật lý không phụ thuộc vào khối lượng của vật. Vậy những yếu tố nào quyết định đến sự nổi của một vật trong chất lưu (chất lỏng và chất khí) ?
Ở điều kiện lý tưởng vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực P, lực đẩy Ác-si-mét F có chiều như hình minh họa dưới:
Xét một vật khối lượng m khi vật được nhúng vào môi trường chất lưu thể tích của vật ngập trong chất lưu là V; khối lượng riêng của chất lưu là d.
Độ lớn trọng lực
Độ lớn lực đẩy Ác-si-mét
Có ba trường hợp xảy ra:
- Vật chuyển động xuống dưới (chìm): P > F
- Vật đứng cân bằng trong chất lưu (lơ lửng): P = F
- Vật chuyển động lên trên: P < F
Bài toán cụ thể: Một cây kim hình trụ chiều dài 5cm = 0,05m, tiết diện 1mm2 =10-6m2 khối lượng 5g = 5.10-3kg; tàu chở dầu nặng 260,941 tấn =260941kg bằng sắt hình hộp chữ nhật chiều dài 458,45 m; 68,8 m cao 50 m khối lượng. Tính trọng lực và lực đẩy Ác-si-mét tác dụng và kim và tàu trong trường hợp tàu và kim ngập hoàn toàn trong nước; biết khối lượng riêng của sắt 7850 kg/m3; khối lượng riêng của nước là 1000kg/m3 lấy g = 9,8m/s2
Ta có:
Pkim = mg =5.10-3.9,8 = 49.10-3 (N)
Fkim = dV= 1000.0,05.10-6 = 5.10-5 (N)
Fkim < Pkim => kim chìm
Ptàu = mg = 260941.9,8 = 2557221 (N)
Ftàu = dV = 1000.458,45.68,8.50 = 1577068000 (N)
Ftàu > Ptàu => tàu sẽ nổi
=> khối lượng riêng của chất lưu và thể tích vật chiếm chỗ trong chất lưu sẽ quyết định đến sự nổi của một vật trong chất lưu.
Tàu có trọng tải lớn hơn kim tuy nhiên tàu có các khoang trống lớn giúp tăng thể tích của tàu từ đó tăng độ lớn của lực đẩy Ác-si-mét đây là nguyên nhân chính dẫn đến sự nổi của tàu trên mặt nước.
Lưu ý: bài toán trên chỉ mang tính minh họa lý tưởng, ngoài lực đẩy Ác-si-mét còn có nhiều vấn đề khác ảnh hưởng đến sự nổi của tàu trong thực tế các chuyên gia sẽ tính toán kỹ hơn.
Cấu tạo bên trong của một con cá
Cũng giống như loài cá, tàu ngầm lặn, nổi cũng nhờ quá trình hút và xả khí trong khoang chứa khí.
xem thêm: Tại sao tàu ngầm có thể lặn xuống và nổi lên?
Đối với các kinh khí cầu khi muốn bay lên, người ta dùng ngọn lửa đốt nóng lớp không khí bên trong quả khí cầu. Khi không khí bị đốt nóng sẽ chuyển động nhanh hơn, giãn nở dẫn đến thể tích tăng lên (tăng lực đẩy Ác-si-mét) đồng thời làm giảm khối lượng riêng của nó => giảm độ lớn của trọng lực giúp khí cầu có thể bay lên cao.
Đối với các loại máy bay kinh khí cầu, thay vì sử dụng ngọn lửa để làm tăng thể tích của không khí nóng, người ta bơm sẵn vào trong “bóng khí” một loại khí “nhẹ” hơn không khí thường là Heli (He) khiến máy bay kinh khí cầu bay ổn định hơn.
Airlander, phương tiện bay dài hơn 91 m chứa lượng khí heli đủ để đổ đầy 15 bể bơi Olympic