منو
 صفحه های تصادفی
علم و تکنولوژی
نفاق
ردالصدر علی العجز
اطاعت از امام علی علیه السلام اطاعت از خداوند
امام خمینی - تقید به زیارت
گروه شیر،ماست ،پنیر ، کشک ، دوغ
ستارگان غیر دور قطبی
شیمی بلور
درس تاسیسات برودتی
نیلز بوهر
 کاربر Online
936 کاربر online
 : فیزیک
برای پاسخ دادن به این ارسال باید از صفحه قبلی اقدام کنید.   کاربر offline دبیر گروه فیزیک 3 ستاره ها ارسال ها: 2228   در :  دوشنبه 06 تیر 1390 [19:55 ]
  نیروی شناوری در هوا و مایع
 

نیروی شناوری در هوا و مایع

بالون در هوا معلق است، و عروس دریایی نیز به همین دلیل در آب معلق است: به هر یک از آن‌ها نیروی بالاسویی برابر وزن شارة جابه‌جا شده وارد می‌شود. در یکی، شارة جابه‌جا شده هواست؛ و در مورد دیگر آب است.

همان‌طور که می دانیم، اجسام در آب به بالا رانده می‌شوند زیرا فشار وارد بر ته جسم بیش از فشار وارد بر بالای آن است. همین‌طور، فشار بالاسویی که در هوا به جسم وارد می‌شود بیش از فشار پایین‌سوی وارد بر بالای جسم است.

نیروی شناوری، در هر دو مورد، به لحاظ عددی برابر وزن شارة جابه‌جا شده است. اصل ارشمیدس هم برای آب معتبر است و هم برای هوا: به هر جسم واقع در هوا نیروی بالاسویی برابر هوای جابه‌جا شده وارد می‌شود.

می‌دانیم که یک متر مکعب هوا در فشار معمولی جو و دمای اتاق جرمی حدود 2/1 کیلوگرم دارد، پس وزن آن حدود 12 نیوتون می‌شود. پس به هر جسم 1 متر مکعبی در هوا نیروی بالاسوی 10 نیوتون وارد می‌شود. اگر جرم 1 متر مکعب جسمی بیش از 2/1 کیلوگرم باشد (به‌طوری که وزنش بیش از 12 نیوتون شود)، وقتی رها شود به زمین می‌افتد. اگر جرم جسمی با این اندازه کمتر از 2/1 کیلوگرم باشد، در هوا بالا می‌رود.

هر جسمی که جرمی کم‌تر از جرم هوای هم حجمش داشته باشد در هوا بالا می‌رود. راه دیگر بیان این مطلب آن است که هر جسم با چگالی کم‌تر از هوا در هوا بالا می‌رود. چگالی بالون‌های پر از گازی که در هوا بالا می‌روند کم‌تر از هواست.

بیش‌ترین نیروی شناوری وقتی به دست می‌آید که بالون تخلیه شده باشد، اما این کار عملی نیست. وزن ساختار لازم برای جلوگیری از متلاشی شدن بالون تخلیه شده بیش‌تر از مزیت ناشی از نیروی بالاسوی اضافی است. بنابراین، بالون‌ها را با گازهای دارای چگالی کم‌تر از هوای معمولی پر می‌کنند، تا ضمن جلوگیری از متلاشی شدن، آن را سبک نگه دارد.

در بالون‌های ورزشی، گاز صرفاً هوای گرم شده است. در بالون‌هایی که قرار است تا ارتفاع‌های زیادی بالا بروند یا مدتی طولانی در ارتفاع زیاد باشند، معمولاً از هلیوم استفاده می‌شود.

چگالی هلیوم به اندازه کافی کم است که مجموع حجم هلیوم، بالون و بار آن کم‌تر وزن هوایی می‌شود که جابه‌جا می‌کند. گاز کم چگالی به همان دلیل در بالون به کار می‌رود که چوب پنبه یا پلاستیک در وسیله‌های نجات شناگر. چوب پنبه یا پلاستیک تمایلی خاص به کشیده شدن به سطح آب ندارند، و گاز هیچ تمایل خاصی به بالا رفتن ندارد. به هر دو، مثل هر چیز دیگر، نیروی بالاسو وارد می‌شود. آن‌ها آن‌قدر سبک‌اند که نیروی شناوری را قابل ملاحظه سازند.

جو، برخلاف آب، سطح قابل تعریف ندارد. در جو «بالایی» وجود ندارد. به‌علاوه، برخلاف آب، چگالی جو با زیاد شدن ارتفاع کم می‌شود. در حالی‌که چوب پنبه در سطح آب شناور می‌ماند، بالون پر از گاز هلیم وقتی رها شود به هیچ سطح جوی نمی‌رسد. بالون چه‌قدر بالا می‌رود؟

پاسخ را می‌توان دست‌کم به سه طریق بیان کرد:

1) بالون تا هنگامی بالا می‌رود که هوایی با وزن بیش‌تر از خودش را جابه‌جا کند. چگالی هوا با ارتفاع کم می‌شود، پس وقتی وزن هوای جابه‌جا شده برابر وزن بالون شود، شتاب رو به بالای بالون متوقف می‌شود.

2) همین‌طور می‌توان گفت، وقتی نیروی شناوری وارد بر بالون برابر وزن آن شود، بالون دیگر بالا نمی‌رود.

3) هم‌ارز آن، وقتی چگالی میانگین بالون (شامل بار آن) برابر چگالی هوای اطراف شود، بالا رفتن بالون متوقف می‌شود. بادکنک‌های اسباب بازی پر از هلیوم معمولاً هنگام رها شدن در هوا می‌ترکند زیرا، با بالا رفتن بادکنک به نواحی با فشار کم‌تر، هلیوم موجود در بادکنک منبسط می‌شود و با زیاد شدن حجم، پلاستیک سطح آن کشیده و پاره می‌شود.

کشتی‌های هوایی بزرگ طوری طراحی می‌شوند که پس از بارگیری، به آهستگی در هوا بالا بروند. یعنی وزن کل آن‌ها اندکی کم‌تر از وزن هوای جابه‌جا شده باشد. این کشتی‌ها را هنگام حرکت می‌توان به کمک «بالابرهای» افقی بالا و پایین برد.

  امتیاز: 0.00