Lực đẩy Ác-si-mét là một khái niệm quan trọng trong vật lý, giải thích nhiều hiện tượng tự nhiên và ứng dụng trong kỹ thuật. Vậy lực đẩy Ác-si-mét là gì và nó được ứng dụng như thế nào trong cuộc sống?
1. Định nghĩa Lực đẩy Ác-si-mét
Khi một vật được nhúng vào chất lỏng, nó sẽ chịu một lực đẩy hướng từ dưới lên trên. Lực này có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà vật chiếm chỗ. Đó chính là lực đẩy Ác-si-mét.
Đặc điểm của lực đẩy Ác-si-mét:
- Phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên trên.
- Có độ lớn phụ thuộc vào trọng lượng riêng của chất lỏng và thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.
- Quyết định khả năng nổi hay chìm của vật.
2. Sự nổi của vật và Lực đẩy Ác-si-mét
Một vật thả vào chất lỏng sẽ xảy ra các trường hợp sau:
- Vật chìm: Khi lực đẩy Ác-si-mét (FA) nhỏ hơn trọng lượng của vật (P): FA < P.
- Vật nổi: Khi lực đẩy Ác-si-mét lớn hơn trọng lượng của vật: FA > P. Vật sẽ nổi lên đến khi FA = P.
- Vật lơ lửng: Khi lực đẩy Ác-si-mét bằng trọng lượng của vật: FA = P.
Ví dụ, tàu thuyền làm bằng kim loại nặng có thể nổi vì thể tích chiếm nước lớn làm cho trọng lượng riêng trung bình của tàu nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước.
3. Công thức tính Lực đẩy Ác-si-mét
Công thức tính lực đẩy Ác-si-mét như sau:
FA = d . V
Trong đó:
- FA: Lực đẩy Ác-si-mét (N).
- d: Trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m3).
- V: Thể tích của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ (m3).
Từ công thức này, ta thấy:
- Nếu P > FA: Vật chìm.
- Nếu P = FA: Vật lơ lửng.
- Nếu P < FA: Vật nổi.
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến Lực đẩy Ác-si-mét
Lực đẩy Ác-si-mét phụ thuộc vào hai yếu tố chính:
- Trọng lượng riêng của chất lỏng (d): Chất lỏng có trọng lượng riêng càng lớn thì lực đẩy Ác-si-mét càng lớn.
- Thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ (V): Vật chiếm thể tích càng lớn trong chất lỏng thì lực đẩy Ác-si-mét càng lớn.
Lực đẩy Ác-si-mét tỉ lệ thuận với trọng lượng riêng của chất lỏng và thể tích chất lỏng bị vật chiếm chỗ, quyết định khả năng nổi của vật.
5. Ứng dụng của Lực đẩy Ác-si-mét
Lực đẩy Ác-si-mét có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và kỹ thuật.
5.1. Thiết kế tàu thuyền
Các kỹ sư sử dụng lực đẩy Ác-si-mét để thiết kế tàu thuyền có thể chở được hàng hóa lớn mà không bị chìm. Bằng cách tạo ra các khoang rỗng lớn, tàu có thể tích chiếm nước lớn, do đó lực đẩy Ác-si-mét tăng lên.
5.2. Sự nổi của cá
Cá có bong bóng chứa khí bên trong cơ thể. Khi muốn nổi lên, cá bơm thêm khí vào bong bóng làm tăng thể tích và lực đẩy Ác-si-mét. Ngược lại, khi muốn lặn xuống, cá xả bớt khí ra.
5.3. Khinh khí cầu
Khinh khí cầu sử dụng khí nóng hoặc khí nhẹ hơn không khí để tạo ra lực đẩy Ác-si-mét lớn hơn trọng lượng của khinh khí cầu, giúp nó bay lên.
Khinh khí cầu hoạt động dựa trên nguyên tắc lực đẩy Ác-si-mét trong không khí. Người ta sử dụng khí nóng hoặc khí nhẹ hơn không khí (như Heli) để làm giảm trọng lượng riêng của khinh khí cầu so với không khí xung quanh. Khi đó, lực đẩy Ác-si-mét sẽ lớn hơn trọng lượng của khinh khí cầu, giúp nó bay lên.
6. Bài tập về Lực đẩy Ác-si-mét
Dưới đây là một số bài tập ví dụ giúp bạn hiểu rõ hơn về cách tính và ứng dụng của lực đẩy Ác-si-mét.
Bài tập 1:
Một vật có trọng lượng 50N. Khi nhúng vật này vào nước, lực kế chỉ 30N. Tính lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên vật.
Giải:
Lực đẩy Ác-si-mét bằng hiệu giữa trọng lượng của vật ngoài không khí và trọng lượng của vật trong nước.
FA = P – P’ = 50N – 30N = 20N
Bài tập 2:
Một khối gỗ có thể tích 0.2 m3 được thả vào nước. Trọng lượng riêng của gỗ là 8000 N/m3, của nước là 10000 N/m3.
a) Tính lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên khối gỗ.
b) Tính phần thể tích của khối gỗ chìm trong nước.
Giải:
a) Lực đẩy Ác-si-mét lớn nhất có thể tác dụng lên khối gỗ là khi nó chìm hoàn toàn trong nước:
FA max = dnước . V = 10000 N/m3 . 0.2 m3 = 2000 N
b) Trọng lượng của khối gỗ là:
P = dgỗ . V = 8000 N/m3 . 0.2 m3 = 1600 N
Vì P < FA max nên khối gỗ sẽ nổi. Khi gỗ nổi, lực đẩy Ác-si-mét bằng trọng lượng của gỗ: FA = P = 1600 N
Thể tích phần gỗ chìm trong nước là:
Vchìm = FA / dnước = 1600 N / 10000 N/m3 = 0.16 m3
Bài tập 3:
Thả một viên bi sắt vào thủy ngân. Bi sắt nổi hay chìm? Biết trọng lượng riêng của sắt là 78000 N/m3 và của thủy ngân là 136000 N/m3.
Giải:
Vì trọng lượng riêng của sắt nhỏ hơn trọng lượng riêng của thủy ngân (78000 N/m3 < 136000 N/m3) nên viên bi sắt sẽ nổi trên thủy ngân.
Hy vọng với những ví dụ trên, bạn đã hiểu rõ hơn về lực đẩy Ác-si-mét và các ứng dụng của nó. Đây là một kiến thức vật lý quan trọng và thú vị, giúp chúng ta giải thích được nhiều hiện tượng trong cuộc sống.