Bài 16. Áp suất chất lỏng. Áp suất khí quyển

Mọi vật đều chịu tác dụng của trọng lực. Khi một vật được đặt trong chất lỏng, ngoài trọng lực, vật còn chịu một lực đẩy do chất lỏng tác dụng theo phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên. Lực này gọi là lực đẩy Archimedes.

Khi dùng tay nhấn một quả bóng chìm xuống nước, có thể cảm nhận rõ lực đẩy của nước tác dụng lên quả bóng theo chiều từ dưới lên.

Hình 17.1. Minh hoạ lực đẩy của chất lỏng lên vật.

Khi thả viên bi sắt hoặc ốc vít kim loại vào nước, trọng lực lớn hơn lực đẩy Archimedes nên vật chìm xuống. Với miếng xốp, lực đẩy Archimedes lớn hơn trọng lực nên miếng xốp chuyển động lên trên.

Ba trường hợp trong hình minh hoạ sự khác nhau giữa lực đẩy Archimedes và trọng lực: viên bi (1), ốc vít kim loại (2) chuyển động xuống dưới; miếng xốp (3) chuyển động lên trên.

Hình 17.2. Viên bi, ốc vít kim loại chìm xuống và miếng xốp nổi lên.

Vì vậy, xét định tính:

• • Nếu \(F_A\lt P\), vật có xu hướng chìm xuống.
  • Nếu \(F_A\gt P\), vật có xu hướng nổi lên.
  • Nếu \(F_A=P\), vật có thể cân bằng trong chất lỏng.

1. Thí nghiệm

Dụng cụ gồm lực kế có giới hạn đo 2 N, cân điện tử, quả nặng bằng nhựa 130 g, bình tràn và ống đong.

Tiến hành:

1. Treo quả nặng vào lực kế, ghi số chỉ lực kế là \(P\).
2. Nhúng quả nặng vào bình tràn đựng đầy nước. Khi nước từ bình tràn chảy ra ống đong đến \(20\,\text{cm}^3\), đọc số chỉ \(F_1\) trên lực kế.
3. Tính lực đẩy Archimedes theo \(F_A=P-F_1\).
4. Dùng cân điện tử đo khối lượng phần nước tràn ra, từ đó xác định trọng lượng của lượng nước này.
5. Tiếp tục nhúng vật sâu hơn để thể tích nước tràn lần lượt là \(40\,\text{cm}^3\), \(60\,\text{cm}^3\), \(80\,\text{cm}^3\); xác định lực đẩy Archimedes và trọng lượng lượng nước tràn tương ứng.
6. Thay nước bằng nước muối đặc và lặp lại thí nghiệm.

Bố trí thí nghiệm dùng lực kế, bình tràn và ống đong để so sánh lực đẩy Archimedes với trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.

Hình 17.4. Bố trí thí nghiệm xác định độ lớn lực đẩy Archimedes.

Bảng 17.1. Kết quả thí nghiệm

Từ kết quả thí nghiệm, có thể rút ra rằng lực đẩy Archimedes tăng khi thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ tăng; với cùng thể tích bị chiếm chỗ, chất lỏng có trọng lượng riêng lớn hơn gây lực đẩy Archimedes lớn hơn.

2. Định luật Archimedes

Một vật đặt trong chất lỏng chịu tác dụng một lực đẩy hướng thẳng đứng từ dưới lên trên có độ lớn bằng trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.

\(F_A=d.V\)

Trong đó \(F_A\) là lực đẩy Archimedes, \(d\) là trọng lượng riêng của chất lỏng, đơn vị \(\text{N/m}^3\); \(V\) là thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ, đơn vị \(\text{m}^3\).

Một số loài cá có thể thay đổi thể tích cơ thể bằng cách đưa không khí vào hoặc ra khỏi bóng khí. Khi bóng khí nhỏ lại, thể tích phần cá chiếm chỗ giảm nên lực đẩy Archimedes giảm, cá có xu hướng chìm xuống. Khi bóng khí lớn ra, thể tích chiếm chỗ tăng nên lực đẩy Archimedes tăng, cá có xu hướng nổi lên.

Hình biểu diễn ba trạng thái của cá với lực đẩy Archimedes \(F_A\) hướng lên và trọng lực \(P\) hướng xuống.

Hình 17.3. Cá thay đổi trạng thái nổi, chìm nhờ thay đổi lực đẩy Archimedes.