Định luật Archimedes là gì?
Định luật Archimedes phát biểu rằng mọi vật nhúng trong chất lỏng đều chịu một lực đẩy hướng lên có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà vật chiếm chỗ. Công cụ này tính lực đẩy đó từ ba thông số: khối lượng riêng của chất lỏng (\(\rho\)), gia tốc trọng trường (\(g\)) và thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ (\(V\)). Kết quả là lực hướng lên, tính bằng newton (N).
Cách dùng máy tính
Nhập khối lượng riêng của chất lỏng theo đơn vị kilôgam trên mét khối — nước ngọt khoảng 1000 kg/m³, còn nước biển khoảng 1025 kg/m³. Nhập gia tốc trọng trường (9,81 m/s² trên Trái Đất) và thể tích chất lỏng bị vật chiếm chỗ theo mét khối. Nếu vật chìm hoàn toàn, thể tích bị chiếm chỗ chính là thể tích của vật. Bấm tính để có ngay lực đẩy nổi.
Giải thích công thức
Lực đẩy nổi được xác định bằng $$F_b = \rho \cdot g \cdot V$$ Tích \(\rho \cdot V\) chính là khối lượng của phần chất lỏng bị chiếm chỗ, và khi nhân với \(g\) thì khối lượng đó được chuyển thành trọng lượng (lực). Vì vậy, lực đẩy nổi đúng bằng trọng lượng của lượng chất lỏng bị đẩy ra — chính là điều mà Archimedes đã khám phá.
Ví dụ minh họa
Giả sử một vật có thể tích 0,01 m³ chìm hoàn toàn trong nước ngọt (\(\rho = 1000 \text{ kg/m}^3\)) với \(g = 9{,}81 \text{ m/s}^2\). Khi đó $$F_b = 1000 \times 9{,}81 \times 0{,}01 = 98{,}1 \text{ N}$$ Vật bị đẩy lên với lực 98,1 newton.
Mật độ chất lỏng phổ biến
Nguyên lý Archimedes phát biểu rằng lực nổi tác dụng lên một vật thể ngập nước hoặc nổi bằng trọng lượng của chất lỏng mà nó chiếm chỗ, \(F_b = \rho \cdot g \cdot V\). Mật độ chất lỏng \(\rho\) là đại lượng đầu tiên bạn cần. Bảng dưới đây liệt kê các mật độ đại diện ở nhiệt độ phòng khoảng (khoảng 20 °C) và áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Mật độ thay đổi theo nhiệt độ, áp suất và thành phần, nên hãy coi đây là các giá trị tham chiếu danh nghĩa.
| Chất lỏng | Mật độ (kg/m³) |
|---|---|
| Không khí (15 °C, mực nước biển) | 1.225 |
| Xăng dầu | 745 |
| Ethanol | 789 |
| Dầu ô liu | 920 |
| Nước ngọt | 1000 |
| Nước biển | 1025 |
| Sữa (toàn phần) | 1030 |
| Glycerine | 1260 |
| Thủy ngân | 13534 |
Vì lực nổi tỷ lệ trực tiếp với mật độ, một vật thể chiếm cùng thể tích trong thủy ngân trải qua lực lớn hơn 13 lần so với nước ngọt — đó là lý do tại sao chất lỏng dày đặc làm cho các vật thể nổi lên trong khi chúng chìm trong nước.
Hằng số trọng lực theo vị trí
Gia tốc do trọng lực \(g\) là yếu tố thứ hai trong \(F_b = \rho \cdot g \cdot V\). Thể tích chiếm chỗ giống nhau của cùng một chất lỏng tạo ra lực nổi khác nhau tùy thuộc vào trường hấp dẫn. Trọng lực tiêu chuẩn trên Trái đất được định nghĩa chính xác là \(9.80665\ \text{m/s}^2\), thường được làm tròn thành 9.81.
| Vị trí | Trọng lực \(g\) (m/s²) |
|---|---|
| Trái đất (mực nước biển, tiêu chuẩn) | 9.81 |
| Mặt trăng | 1.62 |
| Sao Hỏa | 3.71 |
| Sao Mộc (đỉnh mây ở xích đạo) | 24.79 |
| Mặt trời (bề mặt) | 274 |
Trên Trái đất, \(g\) không hoàn toàn không đổi. Nó thay đổi theo vĩ độ và độ cao, dao động từ khoảng \(9.78\ \text{m/s}^2\) gần xích đạo đến khoảng \(9.83\ \text{m/s}^2\) ở hai cực, và nó giảm nhẹ theo độ cao. Đối với hầu hết các tính toán nổi lực trong kỹ thuật và hàng ngày, giá trị 9.81 m/s² là đủ chính xác.
Câu hỏi thường gặp
Vật có nổi không? Hãy so sánh lực đẩy nổi với trọng lượng của vật. Nếu lực đẩy lớn hơn hoặc bằng trọng lượng vật, vật sẽ nổi; nếu nhỏ hơn, vật sẽ chìm.
Dùng thể tích nào khi vật nổi? Chỉ dùng thể tích của phần chìm — phần nằm dưới mặt nước và thực sự chiếm chỗ chất lỏng.
Nên dùng giá trị g bằng bao nhiêu? Dùng 9,81 m/s² cho Trái Đất ở mực nước biển. Dùng 1,62 cho Mặt Trăng hoặc 3,71 cho Sao Hỏa nếu bạn mô phỏng các thiên thể khác.
