Półkule magdeburskie

Półkule magdeburskie - metalowe półsfery umożliwiające wykonanie słynnego doświadczenia przeprowadzonego przez Otto von Guericka w 1654 w Magdeburgu.

W doświadczeniu tym wykorzystano dwie półsfery metalowe o średnicy 42 cm każda, o starannie zeszlifowanych krawędziach. Półsfery zostały dociśnięte do siebie i uszczelnione, następnie wypompowano ze środka powietrze. Okazało się, że do rozerwania półsfer potrzebne było 16 koni, była to widowiskowa demonstracja istnienia ciśnienia atmosferycznego.

Eksperyment powtórzono w Berlinie w 1663, z udziałem aż 24 koni.Doświadczenie z "kulami" w Toruniu

Prawo Archimedesa-Legenda

Legenda głosi, że król Syrakuz zwrócił się do Archimedesa, aby ten zbadał, czy korona, którą wykonał dla Hierona II pewien syrakuzański złotnik, zawiera tylko złoto, czy jest to jedynie pozłacane srebro. Archimedes długo nad tym rozmyślał, aż wreszcie pewnego razu w czasie kąpieli w wannie poczuł jak w miarę zanurzania się w wodzie ciężar jego ciała się zmniejsza. Oszołomiony swoim odkryciem, wyskoczył z wanny i z okrzykiem Eureka! (Heureka, gr. ηὕρηκα – "znalazłem") nago wybiegł na ulicę i udał się do króla. Po otrzymaniu odpowiedniej wartości dla ciężaru właściwego korony Archimedes porównał ją z ciężarem właściwym czystego złota – okazało się, że korona nie była z niego wykonana.

Balony

Balonu unoszą się w powietrzu ponieważ siła wyporu na nie działająca może być większa niż siła ciężkości.

Jeśli chcemy aby balon się wznosił, musimy zwiększyć siłę wyporu (np. podgrzewając gaz w balonie), albo zmniejszyć siłę ciężkości (np. wyrzucając balast). Niestety, nie można balonem wznieść się dowolnie wysoko, ponieważ w górnych partiach atmosfery powietrze jest tak rzadkie (a więc i lekkie), że wyprodukowanie gazu od niego lżejszego staje się prawie niemożliwe (przynajmniej w tych warunkach w jakich ma funkcjonować ten gaz w powłoce balonu).

Opuszczenie balonu wymagać będzie z kolei oziębienia gazu w balonie, lub wypuszczenia części tego gazu.

Jeśli balon ma utrzymywać się na stałej wysokości należy utrzymywać wartość siły wyporu na tym samym poziomie co siła ciężkości.

Używa się dwa podstawowe typy balonów:

	zawierające gaz na stałe lżejszy od powietrza, czyli wodór lub hel
	zawierające powietrze, które jest ogrzewane za pomocą palnika. Dzięki temu ogrzewaniu powietrze rozszerza się i staje się lżejsze. Jeśli sumaryczny ciężar powłoki balonu, gazu w tej powłoce oraz ładunku będzie mniejszy od uzyskanej tak siły wyporu, wtedy balon wzniesie się w powietrze.

Pierwsza metoda tworzenia balonów latających ma tę zaletę, że nie wymaga energii do tego, aby balon pozostawał w górze. Drugi sposób z kolei daje większą kontrolę nad wznoszeniem się i opuszczaniem.

Najlżejszym gazem używanym w balonach jest wodór. Ma on jednak jedną ogromna wadę - bardzo łatwo go zapalić (wodór jest wręcz wybuchowy). Dlatego znacznie bezpieczniejszym gazem używanym do wypełniania powłoki balonu jest hel. Jest on całkowicie niepalny, jednak jest cięższy i dlatego trzeba znacznie użyć większego balonu helowego niż wodorowego, aby unieść ten sam ładunek.

Pływanie ciał całkowicie zanurzonych

Nieco inaczej wygląda sytuacja ciał całkowicie zanurzonych – łodzie podwodne, zatopione obiekty, balony, tonące przedmioty itd.

Tutaj mamy dwie główne możliwości

1. siła wyporu jest mniejsza od siły ciężkości – ciało tonie.
2. siła wyporu jest większa od siły ciężkości – ciało wypływa unosząc się do góry.

Na pograniczu tych dwóch przypadków jest jeszcze trzeci:

3. siły wyporu i ciężkości są sobie równe – wtedy ciało pozostaje w bezruchu unosząc się w płynie

Powyższy opis zachowania ciała odnosi się tylko do sytuacji, w których początkowo ciało znajdowało się w bezruchu. Jeśli wcześniej nadano mu prędkość może ono chwilowo poruszać się niezgodnie z powyższymi zasadami (do momentu, w którym tarcie płynu nie spowoduje jego zatrzymania).

przyklad wykorzystania prawa Archimedesa

Pływanie ciał po powierzchni cieczy

Ciało będzie pływało po powierzchni cieczy, jeśli jego siła wyporu przy maksymalnym zanurzeniu będzie większa niż ciężar tego ciała.

Gdy ciało pływa po powierzchni wody siła ciężkości jest równoważona przez siłę wyporu (siły ciężkości i wyporu mają równe wartości, ale przeciwne zwroty). Oczywiście jeśli ciało nie jest całkowicie zanurzone, to siła wyporu ma jeszcze pewien „zapas”, dzięki któremu nawet zwiększenie ciężaru ciała nie spowoduje od razu jego zatonięcia, bo automatycznie może wzrosnąć siła wyporu. Do momentu aż zanurzy się całe.

Prawo Archimedesa

Prawo Archimedesa – podstawowe prawo hydro- i aerostatyki określające siłę wyporu. Nazwa prawa wywodzi się od jego odkrywcy Archimedesa z Syrakuz.

Na ciało zanurzone w płynie (cieczy, gazie lub plazmie) działa pionowa, skierowana ku górze siła wyporu. Wartość siły jest równa ciężarowi wypartego płynu. Siła ta jest wypadkową wszystkich sił parcia płynu na ciało.Przykład działanie prawa Archimedesa.

Siła wyporu

Siła wyporu – siła działająca na ciało zanurzone w płynie czyli w cieczy lub gazie w obecności ciążenia. Jest skierowana pionowo do góry - przeciwnie do ciężaru. Wartość siły wyporu jest równa ciężarowi płynu wypartego przez to ciało.

Fw=p*g*V

p-gęstość płynu
g-przyspiesznie grawitacyjne
V-objętość wypieranego płynu równa objętości części ciała zanurzonego w płynie.


Archimedes doszedł do wniosku, że siła wyporu jest równa ciężarowi wypartego płynu, a ciało wypiera tyle płynu ile wynosi objętość jego zanurzonej części. Gdy ciało jest zanurzone w całości, wtedy siła wyporu jest równa ciężarowi płynu o objętości tego ciała.

Dzięki sile wyporu poruszają sie między innymi statki.

Ciśnienie hydrostatyczne

Ciśnienie hydrostatyczne – ciśnienie, jakie panuje na pewnej głębokości w cieczy niebędącej w ruchu, która znajduje się w polu grawitacyjnym.
gdzie

p– gęstość cieczy – w układzie SI w kg/m³
g– przyspieszenie ziemskie (grawitacyjne)
h– głębokość zanurzenia w cieczy (od poziomu zerowego)

Grawitacja wywołuje zmianę ciśnienia w zależności od głębokości – im niżej tym większe ciśnienie. Jest ono skutkiem nacisku ciężaru ze strony słupa płynu położonego nad punktem pomiaru – im wyższy słup, typ większy nacisk.

Ciśnienie-ogólnie

Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:


gdzie: p – ciśnienie (Pa), Fn – składowa siły prostopadła do powierzchni (N), S – powierzchnia (m²).

W przypadku gazów w stanie ustalonym w spoczynku, ciśnienie jakie gaz wywiera na ścianki naczynia jest funkcją objętości, masy i temperatury i dlatego w termodynamice traktowane jest jako funkcja stanu.

Uogólnieniem pojęcia ciśnienia jest naprężenie.

Do pomiaru służy manometr i barometr.

Przykładowy manometr

Prawo Pascala

Prawo Pascala - jeżeli na płyn(ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu.
Prawo to można uznać za prawdziwe tylko wtedy gdy można pominąć siły grawitacji i inne siły masowe oraz ciśnienia wywołane przepływem płynu. Prawo to wynika z tego, że cząsteczki płynu mogą poruszać się w dowolnym kierunku, wywieranie nacisku z jednej strony zmienia ruch cząstek we wszystkich kierunkach.


W płynach siła nacisku (także ciśnienie) "rozchodzi się" we wszystkie strony i nie ma znaczenia, czy powierzchnię ustawimy pod kątem, poziomo, czy pionowo - zawsze płyn będzie naciskał na tę powierzchnię tak samo: z góry, z dołu, z boku.

Prosty przykład działania prawa Pascala