A zbog čega se javlja sila potiska?
Pa već smo učili da tečnost vrši hidrostatički pritisak na zidove suda u kojem se nalazi i na sva tijela potopljena u njoj. Djeluje na sve strane, zavisi od vrste tečnosti i od dubine, a na istoj dubini jednak je u svim pravcima.
Na tijelo potopljeno u tečnost djeluje hidrostatički pritisak, tj. na sve njegove površine zbog ovog pritiska djeluju sile.
Posmatrajmo sliku:
- Ako posmatramo bočne strane kocke sile su uravnotežene, jer se poništavaju zbog suprotnih smjerova, a istog intenziteta.
- Sila F 1– djeluje na gornju površinu, potiče od hidrostatičkog pritiska na dubini h1
- Sila F2 – djeluje na gornju površinu, potiče od hidrostatičkog pritiska na dubini h2
Pošto je dubina donje površine kocke h2 veća od dubine gornje površine kocke h1 onda znamo da je i hidrostatički pritisak na dubini h2 veći od onog na dubini h1. Ako je pritisak veći, a ista je površina u oba slučaja – površina stranice kocke je ista i gore i dole, onda to znači da je sila F2 veća od sile F1.
h2 > h1 → p2 > p1 → F2 > F1
Sila potiska jednaka je razlici vertikalnih sila, od kojih veća sila deluje sa donje, a manja sa gornje strane tijela zaronjenog u tečnost.
Pošto sile F1 i F2 imaju isti pravac, a suprotne smjerove, rezultanta je jednaka njihovoj razlici:
Fp = F2 − F1
Sila kojom fluid djeluje na tijelo koje se u njemu nalazi naziva se sila potiska (uzgona) (Fp), a njeno dejstvo se naziva potisak ili uzgon.
Sila potiska je jednaka razlici vertikalnih sila, od kojih veća sila djeluje sa donje strane, a manja sa gornje strane tijela zaronjenog u fluid.
Sila potiska djeluje na svako tijelo koje je djelimično ili potpuno potopljeno u fluid. Ona djeluje vertikalno prema gore.
Ako je tijelo uronjeno u fluid samo jednim dijelom, sili potiska pridonosi samo onaj dio zapremine tijela koji je uronjen u fluid.
Arhimed je odredio brojnu vrijednost sile potiska pa se ova sila zbog toga često zove i Arhimedova sila.
Kako je Arhimed odredio silu potiska?
U pitanju je bilo rješenje problema specifične težine krune za kralja Hijerona. Arhimed je dobio zadatak da otkrije da li su zlatari prevarili kralja i zamijenili dio zlata srebrom. Prema priči, Arhimed je dugo razmišljao, ali bez rezultata, sve dok slučajno nije primijetio da kada uđe u punu kadu istisne količinu vode i osjeti umanjenje težine. Shvatio je da su te dvije stvari povezane i sav oduševljen go istrčao na ulicu vičući "EUREKA! EUREKA!" (PRONAŠAO SAM! PRONAŠAO SAM!"). Od tih dana je ova riječ poznata kao usklik oduševljenja zbog pronalaska.
Arhimedov zakon glasi: Na svako tijelo potopljeno u tečnosti djeluje sila potiska koja je jednaka težini tečnosti koja je istisnuta tim tijelom.
Težina tečnosti koja je istisnuta tijelom jednaka je:
Q = m ∙ g [N]
Pošto je:
m = ρ ∙ V,
onda je:
Q = ρ ∙ V ∙ g = Fp
Te tako dobivano formulu za silu potiska
Fp = ρ ∙ V ∙ g [N]
gdje je:
– ρ [kg∕m3] – gustina tečnosti,
– V [m3] – zapremina tijela (potopljeni dio tijela),
– g [m∕s2] – ubrzanje Zemljine teže.
Kako je vidljivo iz formule, intenzitet te sile je zapravo jednak težini tekućine koju je uronjeno tijelo istisnulo, a to ovisi samo o zapremini tijela, ne i o njegovom obliku. Iz toga slijedi da navedena formula vrijedi posve općenito.
Sila potiska, takođe, djeluje i na sva tijela koja se nalaze u zraku ili nekom drugom gasu, ali je njena jačina, zbog male gustine gasova, znatno manja nego u tečnostima. Zato se sila potiska u gasovima često zanemaruje. Međutim, mora da se uzme u obzir kada se radi o tijelima velikih zapremina (recimo-zračni baloni – njih sila potiska održava u zraku).
Postoje 3 mogućnosti tijela zaronjenog u tečnost – Tijelo pliva, lebdi ili tone.
Na tijelo potopljeno u tečnost djeluju dvije sile u vertikalnom pravcu suprotnih smjerova: sila teže, usmjerena naniže, i sila potiska, usmjerena naviše. Pod dejstvom tih sila (odnosno njihove rezultante) potopljeno tijelo će se kretati u smjeru dejstva jače sile. Moguća su tri slučaja:
1. Fg < Fp
Srednja gustina tijela manja je od gustine tečnosti: ρtijela < ρtečnosti. Tijelo isplivava na površinu, smanjuje se sila potiska, jer se smanjuje potopljena zapremina tijela (iz formule se vidi da sila potiska zavisi od zapremine). Kada se sila potiska i sila teže izjednače, tijelo se zaustavlja i pliva na površini djelimično potopljeno.
2. Fg = Fp
Srednja gustina tijela jednaka je gustini tečnosti: ρtijela = ρtečnosti. Tijelo se nalazi u ravnoteži na bilo kom mjestu u tečnosti – tijelo lebdi.
3. Fg > Fp
Srednja gustina tijela veća je od gustine tečnosti: ρtijela > ρtečnosti. Tijelo tone.
Isprobaj sve ovo što smo učili o potisku. Klikni na simulaciju ispod i vježbaj. Recimo, izvagaj kocku od cigle van vode i na dnu vode - uoči razliku; vidi kako se povećava nivo vode kada tijelo pliva u vodi i kada je zaronjeno - uoči kako se ponašaju tijela različitih gustoća; vidi odnos sila, itd. Zadaj sam sebi zadatak sa datim veličinama i provjeri rezultat kada uroniš tijelo u vodu.
