Lực đẩy Acsimet là gì? Công thức tính và ứng dụng

Lực đẩy Acsimet là gì? Đây là hiện tượng vật lý quan trọng giải thích tại sao vật thể có thể nổi hoặc chìm trong chất lỏng. Lực đẩy này được đặt theo tên nhà bác học Archimedes có ứng dụng rộng rãi từ đời sống đến kỹ thuật. Cùng AME Group tìm hiểu kỹ hơn trong bài viết sau.

Lực đẩy Acsimet là gì?

Khi một vật thể được đặt trong môi trường chất lưu (bao gồm cả chất lỏng và chất khí), nó sẽ chịu tác động bởi một lực đặc biệt có phương thẳng đứng và hướng lên trên. Hiện tượng vật lý này, thường được gọi là nguyên lý Archimedes, xuất phát từ sự chênh lệch áp suất tác dụng lên bề mặt vật thể khi ngập trong môi trường chất lưu.

Về bản chất, độ lớn của lực này tương đương với trọng lượng phần chất lưu bị vật thể chiếm chỗ, trong khi phương và chiều của lực ngược với hướng tác dụng của trường lực bên ngoài (như trọng trường hoặc lực quán tính). Khám phá mang tính đột phá này được ghi nhận thuộc về Archimedes, nhà toán học và vật lý học lỗi lạc của Hy Lạp cổ đại, và đã trở thành nền tảng quan trọng trong nghiên cứu thủy tĩnh học.

Độ lớn lực đẩy Acsimet

Để biết về độ lớn của lực đẩy Acsimet, ta cùng nhau đi thực hiện thí nghiệm chứng minh:

Dự đoán độ lớn của lực đẩy Acsimet

Để hiểu rõ về độ lớn của lực đẩy Acsimet, cần phải nắm bắt bản chất của lực này. Lực đẩy Acsimet xuất hiện khi một vật thể bị ngập trong chất lỏng hoặc chất khí. Theo định lý của Archimedes, lực đẩy này có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà vật thể chiếm chỗ.

Lực đẩy Acsimet tác dụng lên một vật phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

• Thể tích của vật thể: Vật thể càng chiếm nhiều thể tích trong chất lỏng, lực đẩy sẽ càng lớn.
• Trọng lượng riêng của chất lỏng: Các chất lỏng khác nhau có trọng lượng riêng khác nhau, ảnh hưởng đến lực đẩy.

Công thức tính lực đẩy Acsimet là:

FA = Trọng lượng phần chất lỏng bị chiếm chỗ

Thí nghiệm chứng minh

Để minh chứng cho định lý này, ta có thể thực hiện thí nghiệm đơn giản:

Chuẩn bị: Một lực kế, một bình tràn, hai cốc và một vật nặng.

Thực hiện:

• Bước 1: Đo trọng lượng của vật khi treo trong không khí, gọi là P.
• Bước 2: Nhúng vật vào bình tràn và đo lại chỉ số lực kế, gọi là P1.
• Bước 3: Chuyển nước từ bình tràn vào cốc và đo trọng lượng của nước đã tràn, ta sẽ có thông số lực đẩy FA = P - P1.

Kết quả thí nghiệm này xác nhận rằng lực đẩy Acsimet bằng trọng lượng của lượng nước bị chiếm chỗ, xác định một cách chính xác độ lớn của lực này.

Kết luận độ lớn lực đẩy ác-si-mét

Sau thí nghiệm trên, chúng ta có kết luận về độ lớn của lực đẩy ác-si-mét như sau:

• Độ lớn của lực đẩy Ác-si-mét bị ảnh hưởng bởi trọng lượng riêng của chất lỏng cũng như thể tích của chất lỏng mà vật thể chiếm giữ.
• Lực đẩy Ác-si-mét có độ lớn bằng chính trọng lượng của vật thể.

Sự nổi

Khi một vật thể được thả vào chất lỏng, có ba khả năng xảy ra dựa trên mối quan hệ giữa trọng lượng của vật và lực đẩy Acsimet:

• FA < P: Vật chìm xuống vì lực đẩy nhỏ hơn trọng lượng.
• FA > P: Vật nổi lên và dừng lại khi lực đẩy bằng trọng lượng của vật.
• FA = P: Vật lơ lửng trong chất lỏng, không chìm cũng không nổi.

Điều này giải thích tại sao những vật thể có tổng trọng lượng riêng nhỏ hơn nước có thể nổi, dù chúng có kích thước lớn, như các tàu lớn. Mặc dù kim loại có trọng lượng riêng cao, nhưng tàu có thể nổi nhờ vào thể tích lớn, giúp giảm trọng lượng riêng tổng thể. Tuy nhiên, khi tàu chở quá tải, trọng lượng và thể tích bị chiếm chỗ sẽ thay đổi, dẫn đến khả năng tàu bị chìm.

Lực đẩy ác-si-mét khi ở trong không khí

Không khí có trọng lượng riêng thấp hơn so với chất lỏng. Do đó, lực đẩy ác-si-mét ở trong không khí nhỏ hơn chất lỏng:

FA= d.V

Đặc điểm của lực đẩy Acsimet

Một số đặc điểm quan trọng nhất của lực đẩy ác-si-mét mà chúng ta cần nắm rõ như sau:

• Xuất hiện khi vật thể tiếp xúc với môi trường chất lưu (bao gồm cả chất lỏng và chất khí) trong điều kiện có trường lực tác động (thường là trọng trường hoặc lực quán tính).
• Có phương thẳng đứng, chiều ngược với hướng của trọng lực và luôn hướng từ dưới lên trên nhằm tạo ra sự cân bằng trong môi trường chất lỏng.
• Lực này cũng là yếu tố quyết định việc vật thể sẽ nổi lên hay chìm xuống.

Lực đẩy Acsimet có sự phụ thuộc vào các yếu tố nào?

Lực đẩy Acsimet chịu ảnh hưởng bởi hai yếu tố chính: trọng lượng riêng của chất lỏng và thể tích của chất lỏng bị vật thể chiếm chỗ. Công thức tính lực đẩy Acsimet được biểu diễn như sau: FA= d.V.

Trong đó:

• d là trọng lượng riêng của chất lỏng,
• V là thể tích của phần chất lỏng bị vật thể chiếm chỗ.

Công thức tính lực đẩy ác-si-mét

Công thức tính lực đẩy Acsimet được biểu diễn như sau:

FA = d.V

Trong đó:

• FA: Lực đẩy Acsimet (tính bằng Newton, N).
• d: Trọng lượng riêng của chất lỏng (đơn vị: N/m3)
• V: Thể tích chất lỏng bị vật thể chiếm chỗ (đơn vị: m3)

Lưu ý quan trọng: V ở đây là thể tích phần chất lỏng bị chiếm chỗ bởi vật, hay nói cách khác là thể tích phần chìm của vật, không phải thể tích toàn bộ vật. Để tính được thông số này, có thể áp dụng một số phương pháp sau:

• Nếu biết thể tích vật nổi, ta có thể tính thể tích phần chìm: Vchìm = Vvật - Vnổi.
• Nếu biết chiều cao phần chìm của vật (h), ta tính thể tích phần chìm bằng công thức: Vchìm = Sđáy.h, trong đó Sđáy là diện tích đáy của vật.
• Nếu vật hoàn toàn chìm trong chất lỏng, thể tích phần chìm bằng thể tích vật: Vchìm = Vvật.

Ứng dụng lực đẩy Acsimet trong đời sống

Lực đẩy ác-si-mét có một số ứng dụng quan trọng như sau:

• Ứng dụng trong thiết kế tàu, thuyền

Nguyên lý lực đẩy Acsimet là nền tảng quan trọng trong ngành đóng tàu. Khi thiết kế, các kỹ sư tính toán thể tích phần chìm của tàu để đảm bảo lực đẩy đủ cân bằng với trọng lượng tàu và tải trọng.

Thân tàu được thiết kế rỗng, mở rộng diện tích tiếp xúc nước nhằm tăng thể tích chiếm chỗ, giúp tàu nổi dù làm từ vật liệu nặng như thép. Công nghệ này cho phép chế tạo những tàu container khổng lồ có trọng tải lên tới hàng trăm nghìn tấn vẫn hoạt động ổn định trên biển.

• Ứng dụng trong sản xuất khinh khí cầu

Khinh khí cầu hoạt động dựa trên nguyên tắc cân bằng giữa lực đẩy Acsimet của không khí và trọng lượng hệ thống. Khí helium hoặc hydrogen bên trong có trọng lượng riêng nhỏ hơn không khí xung quanh, tạo ra lực đẩy đủ lớn để nâng toàn bộ cấu trúc.

Bằng cách điều chỉnh lượng khí hoặc nhiệt độ (đối với khinh khí cầu khí nóng), người ta có thể kiểm soát độ cao một cách chính xác. Ứng dụng này được sử dụng trong khí tượng thủy văn, du lịch và cả nghiên cứu khoa học.

• Sự nổi của cá nhờ lực đẩy Acsimet

Cá duy trì trạng thái lơ lửng trong nước nhờ sự kết hợp khéo léo giữa lực đẩy Acsimet và cấu tạo cơ thể. Bong bóng cá là cơ quan đặc biệt chứa khí - Giúp điều chỉnh thể tích cơ thể mà không thay đổi trọng lượng. Khi cần nổi lên, cá bơm khí vào bong bóng làm tăng thể tích chiếm chỗ, tăng lực đẩy. Ngược lại, khi xả khí, thể tích giảm giúp cá lặn sâu. Cơ chế này kết hợp với vây bơi tạo nên khả năng di chuyển linh hoạt dưới nước.

Hy vọng những chia sẻ vừa rồi về lực đẩy Acsimet đã cung cấp cho bạn thêm những thông tin hữu ích. Mọi thắc mắc về vật lý học hay điện năng, vui lòng truy cập website của AME Group để được hỗ trợ nhanh chóng.

>> Có thể bạn quan tâm: Trong nguyên tử hạt mang điện là? Các loại hạt cơ bản