Siła wyporu i prawo Archimedesa

Siła wyporu to siła, która działa na ciało zanurzone w cieczy albo w gazie. Jest skierowana pionowo w górę. Dzięki niej przedmioty w wodzie wydają się lżejsze, a niektóre mogą pływać.

Siła wyporu pojawia się dlatego, że ciecz naciska na ciało z różnych stron. Na większej głębokości nacisk jest większy, więc dolna część ciała jest „pchana” mocniej niż górna. Właśnie ta różnica daje siłę skierowaną ku górze.

Z siłą wyporu spotykamy się codziennie: gdy piłka wypływa na powierzchnię, gdy statek utrzymuje się na wodzie albo gdy łatwiej podnieść kamień pod wodą niż w powietrzu.

Prawo Archimedesa mówi, że na ciało zanurzone w cieczy lub gazie działa siła wyporu równa ciężarowi wypartej cieczy albo wypartego gazu.

To znaczy, że nie patrzymy tylko na samo ciało, ale na to, ile cieczy zostało przez nie „odsunięte”. Jeśli ciało zanurza się bardziej, wypiera większą objętość cieczy, więc siła wyporu rośnie.

W praktyce oznacza to, że dwa ciała o tej samej objętości zanurzone w tej samej cieczy doznają takiej samej siły wyporu, nawet jeśli są zrobione z różnych materiałów. Ważna jest przede wszystkim objętość zanurzonej części ciała i rodzaj cieczy.

Wartość siły wyporu zależy od dwóch najważniejszych rzeczy: od objętości zanurzonej części ciała oraz od gęstości cieczy lub gazu. Im większa zanurzona objętość, tym większy wypór. Im gęstsza ciecz, tym także wypór jest większy.

Dlatego łatwiej utrzymać się na powierzchni w Morzu Martwym niż w zwykłym jeziorze — bardzo słona woda ma większą gęstość. Z tego samego powodu w powietrzu też działa wypór, ale zwykle jest on dużo mniejszy niż w wodzie.

Nie mają tu decydującego znaczenia takie cechy jak kolor ciała czy to, czy przedmiot się porusza. Liczy się przede wszystkim zanurzenie i rodzaj ośrodka.

Aby przewidzieć zachowanie ciała w cieczy, porównujemy siłę wyporu i ciężar ciała. Jeśli ciężar jest większy od siły wyporu, ciało tonie. Jeśli siła wyporu może zrównoważyć ciężar, ciało nie tonie.

Bardzo pomocna jest też gęstość. Gdy średnia gęstość ciała jest mniejsza od gęstości cieczy, ciało pływa na powierzchni. Gdy jest większa, ciało tonie. Gdy gęstości są równe, ciało może unosić się w cieczy i pozostawać zanurzone.

To tłumaczy, dlaczego ogromny statek może pływać, a mały metalowy gwóźdź tonie. Statek ma wewnątrz dużo powietrza, więc jego średnia gęstość jest mniejsza niż gęstość wody.

Gęstość obliczamy ze wzoru $\rho = \frac{m}{V}$. Oznacza ona, ile masy przypada na daną objętość. Jednostką gęstości w układzie SI jest $\frac{kg}{m^3}$.

Jeśli porównujemy gęstość ciała z gęstością cieczy, możemy przewidzieć, co się stanie:

• gdy gęstość ciała jest większa, ciało tonie,
• gdy gęstość ciała jest mniejsza, ciało pływa,
• gdy gęstości są równe, ciało może unosić się w cieczy.

W zadaniach trzeba uważać na jednostki masy i objętości. Wynik zawsze zapisujemy z jednostką. W klasie 7 najważniejsze jest poprawne rozumienie zależności, a nie skomplikowane rachunki.

Siłę wyporu można zbadać za pomocą siłomierza. Najpierw mierzymy ciężar ciała w powietrzu. Potem zanurzamy ciało w wodzie i znów odczytujemy wskazanie. W wodzie wskazanie jest mniejsze — ciało ma wtedy mniejszy pozorny ciężar.

Różnica między ciężarem w powietrzu a wskazaniem w wodzie odpowiada sile wyporu. To prosty sposób sprawdzenia prawa Archimedesa w szkolnym doświadczeniu.

Zjawisko wyporu wykorzystuje się w życiu codziennym:

• w statkach i łodziach,
• w kamizelkach ratunkowych,
• w pływakach i bojach,
• w balonach unoszących się w powietrzu.

Znajomość wyporu pomaga zrozumieć, dlaczego jedne przedmioty unoszą się na wodzie, a inne opadają na dno.