Hydrostatyka - czyli dlaczego balony i arbuzy pływają, a kamienie toną
Hydrostatyka brzmi poważnie? Spokojnie! To tylko nauka o ciśnieniu i sile wyporu w cieczach, czyli o tym, dlaczego niektóre rzeczy pływają, a inne idą na dno jak… kamień! Przygotuj się na podróż przez prawa fizyki z uśmiechem na twarzy i zrozumieniem, jak działa to wszystko, co pływa, tonie i... wybucha (nie, tego ostatniego nie będzie)!
Co to jest ciśnienie? I dlaczego hektopaskale brzmią tak śmiesznie?
Czy kiedykolwiek słyszałeś prognozę pogody i zastanawiałeś się, co to za dziwne liczby z tymi "hektopaskalami"? Spokojnie, nie tylko Ty! Na początku też myślałem, że to jakieś tajemnicze jednostki magów pogodowych. Ale oto proste wyjaśnienie:
Ciśnienie: Dzisiaj wiem, że ciśnienie to jest po prostu siła podzielona przez powierzchnię na jakiej ono działa.
p – ciśnienie [Pa]
F – siła [N]
S – powierzchnia [m2]
Ciśnienie hydrostatyczne – czyli ile waży woda, zanim zamoczy Ci skarpetki?
Przechodzimy do konkretów! Ciśnienie hydrostatyczne to takie ciśnienie, które wytwarza ciecz (woda, sok pomarańczowy czy herbata) na jakąś powierzchnię. Pomyśl o tym tak: jeśli zanurzasz się w wannie, to woda "ciśnie" na Twoje ciało. I tak, to jest ważne – bo to zależy nie od objętości wanny, ale od głębokości wody!
Ciśnienie hydrostatyczne to jest ciężar cieczy. Bo ciężar przecież też podajemy w Newtonach. Wyprowadźmy wzór na ciśnienie hydrostatyczne.
Gdzie:
Q- ciężar [N]
S- pole powierzchni [m2]
m- masa [kg]
h – wysokość [m]
δ – [kg/m3]
g- wartość przyspieszenia ziemskiego [9,81 m/s2]
Z tego wynika jedno – im głębiej się zanurzysz, tym większe ciśnienie poczujesz. Zastanawiasz się teraz pewnie, dlaczego w Bałtyku nie czujesz się bardziej ściśnięty niż w Atlantyku, skoro ten drugi jest większy? Bo ciśnienie hydrostatyczne zależy tylko od głębokości, a nie od wielkości oceanu! Zgadza się – możesz być w Atlancie lub w wannie u babci i… ciśnienie będzie takie samo!
Prawo Archimedesa: Dlaczego w wodzie czujemy się jak piórka (albo dlaczego w wannie łatwiej podnosisz nogę)?
Teraz czas na klasykę – Prawo Archimedesa. Każdy z nas zna to uczucie, gdy wchodzimy do wody i nagle czujemy się lżejsi, jakbyśmy zrzucili kilka kilo (szkoda, że to nie działa na stałe, prawda?). Archimedes mówił o tym w prosty sposób: kiedy zanurzamy coś w cieczy, to ciecz wypiera ten przedmiot i "pcha" go do góry z siłą wyporu równą ciężarowi wypartej cieczy.
Tak, to dlatego arbuz pływa
Mówię o sile wyporu, a jak ją obliczyć? Tak jak już napisałem siła wyporu jest równa ciężarowi wypartej cieczy. Posłużmy się rysunkiem. Powiedzmy, że wrzucasz do miski z wodą metalową kulkę. Mimo, że kulka zatonęła to i tak na nią działa siła wyporu. Właśnie przez tę siłę wyporu kulka w wodzie wydaje się lżejsza niż na powietrzu. Siła wyporu jest równa ciężarowi cieczy jaka została wyparta. Żeby obliczyć ten ciężar to trzeba wymnożyć objętość cieczy z gęstością dzięki temu otrzymamy masę. Następnie jak tę masę wymnożymy razy przyspieszenie ziemskie (jeśli doświadczenie jest prowadzone na Ziemi) w ten sposób otrzymamy ciężar cieczy.
Siłę wyporu możemy obliczyć ze wzoru:
Fw=ρ⋅g⋅V
Fw – siła wyporu [N]
ρ – gęstość cieczy [kg/m3]
g – przyspieszenie ziemskie [m/s2]
V – objętość zanurzonej części ciała, która jest równa wypartej cieczy [m3]
Z tego prawa łatwo wywnioskować, że jeżeli siła wyporu jest większa niż siła ciężkości to ciało unosi się na wodzie. Przykładem może być drewno wrzucone do wody czy chociażby balon, który jest wypełniony gazem lżejszym od otaczającego go powietrza.
Podsumowanie – fizyka w wannie? Oczywiście!
Hydrostatyka to nie tylko nauka dla inżynierów. Dzięki niej możesz zrozumieć, dlaczego arbuz na basenie pływa, a ołówek nie. Zapamiętaj: ciśnienie zależy od głębokości, a nie od wielkości oceanu, a siła wyporu to Twój najlepszy przyjaciel, kiedy chcesz poczuć się lżejszy w basenie!
Chcesz więcej? Sprawdź mój kurs z mechaniki płynów!
Jeśli podoba Ci się, jak prosto można tłumaczyć zasady hydrostatyki i mechaniki płynów, to zapraszam do mojego kursu online! Rozwiązuję tam mnóstwo praktycznych zadań, które pomogą Ci lepiej zrozumieć fizykę w działaniu. Kliknij tutaj: Kurs mechanika płynów i zanurz się w świecie fizyki jak prawdziwy inżynier!
