Peldspēja — definīcija, Archimēda likums un pielietojums
Fizikā peldspēja (izrunā /ˈbɔɪ. ənsi/) ir spēks, kas iedarbojas uz objektu un liek tam pacelties vai kustēties augšup. Tas cēlies no spāņu valodas vārda boyar, kas nozīmē "peldēt". Peldspēju rada spiediena starpība, ko uz objektu rada šķidrums vai gaiss, kurā atrodas objekts. Spiediens ir lielāks zemākajos slāņos nekā augstākajos, tāpēc rezultējošais spēks ir vērsts uz augšu.
Tīrais augšupvērstais peldspējas spēks ir vienāds ar šķidruma svara lielumu, ko izspiež ķermenis. Šis spēks ļauj objektam peldēt vai vismaz likties vieglākam. Peldspēja ir svarīga daudziem transportlīdzekļiem, piemēram, laivām, kuģiem, baloniem un gaisa baloniem.
Archimēda likums
Archimēda likums formulē peldspēju tieši: ķermenim šķidrumā vai gaisā iedarbosies augšupvērsts spēks, kura lielums ir vienāds ar izspiestā šķidruma vai gaisa svaru. Matemātiski to var raksturot sekojoši:
F_b = ρ_fluid · V_displaced · g
- F_b — peldspējas spēks (Newtonos, N)
- ρ_fluid — šķidruma vai gaisa blīvums (kg/m³)
- V_displaced — objekta izspiestā tilpuma daļa (m³)
- g — gravitācijas paātrinājums (≈ 9.81 m/s²)
No šīs formulas izriet arī praktisks nosacījums: ja peldspējas spēks ir lielāks vai vienāds ar objekta svaru (masa reiz g), objekts peld vai ir neitrāli peldīgs; ja peldspējas spēks ir mazāks par svaru, objekts grimst.
Kā izvērtēt — peld vai grimst
Vienkāršs kritērijs ir salīdzināt vidējo objekta blīvumu ar šķidruma blīvumu:
- Ja objekta vidējā blīvuma vērtība ρ_object < ρ_fluid, objekts peldēs.
- Ja ρ_object > ρ_fluid, objekts grimst.
- Ja ρ_object = ρ_fluid, objekts būs neitrāli peldīgs jeb paliks šķidruma vidējā slānī.
Piemērs
Piemēram, ja kubs izspiež 0.1 m³ ūdens, ūdens blīvums aptuveni 1000 kg/m³, tad izspiestās masas vērtība ir 1000·0.1 = 100 kg, un peldspējas spēks F_b ≈ 100·9.81 ≈ 981 N. Ja kuba svars (masa reiz g) ir mazāks par 981 N, tas peldēs.
Pielietojums un piemēri ikdienā
- Kuģi un laivas: kuģi var būt smagi, taču to korpuss izspiež pietiekami daudz ūdens, lai peldētu — tas nozīmē, ka to vidējā blīvuma vērtība ir mazāka par ūdens blīvumu.
- Submarīni: maina izspiesto tilpumu vai masā pievieno/atbrīvo ūdeni no balasta tvertnēm, lai mainītu peldspēju un nirtu vai paceltos.
- Gaisa baloni un lidmašīnas: silts gaiss vai vieglāki gāzes (piem., helijs) samazina kopējo blīvumu, nodrošinot peldspēju gaisā.
- Hidrometri: mēra šķidruma blīvumu, balstoties uz to, cik dziļi instruments iegremdējas.
- Baseini un glābšanas aprīkojums: brīvā peldspēja ietekmē peldētprasmi un drošības aprīkojuma projektēšanu.
Stabilitāte un metacentrs
Peldspēja darbojas caur objekta centra punktu, ko sauc par peldspējas centru jeb buoyancy center. Lai kuģis būtu stabils, svara centram un peldspējas centram jābūt izvietotiem tā, lai pēc neliela noliekšanas kuģim atgrieztos stabila stāvoklī. Kuģu projektēšanā tiek lietots jēdziens metacentrs, kas palīdz spriest par atgriešanās momentu pēc sakustēšanās.
Vēsture
Archimēda likuma atklāšanu parasti saista ar sengrieķu zinātnieku Arhimēdu, kurš leģendāri konstatēja, ka ķermenis iegremdēts šķidrumā izjūt spēku, kas atbilst izspiestā šķidruma svaram. Šī atziņa ir pamatā daudzām hidrostatiska un hidrodinamiska inženiertehniskām lietojumprogrammām.
Mērījumi un vienības
Peldspēju parasti izsaka Newtonos (N). Lai aprēķinātu, nepieciešamas šķidruma blīvuma (kg/m³), izspiestā tilpuma (m³) un gravitācijas paātrinājuma (m/s²) vērtības. Praktiski rīki, kas izmanto peldspējas principu, ir arī densitometri, hidrometri un dažādi pludiņi.
Kopsavilkumā — peldspēja ir fundamentāls hidrostatisks spēks, kas izriet no spiediena starpības šķidrumā vai gaisā. Archimēda likums sniedz vienkāršu un praktisku veidu, kā to aprēķināt un prognozēt, vai objekts peldēs, grimst vai būs neitrāli peldīgs.
Diagramma, kurā parādīts, kā darbojas peldspēja.
Blīvums
Ja objektam ir tieši tāds pats blīvums kā šķidrumam, tad tā peldspēja ir vienāda ar tā svaru. Tas ne nogrims, ne peldēs.
Ja objektam ir lielāks vidējais blīvums nekā šķidrumam, tad tā peldspēja ir mazāka par tā svaru. Tas nogrimst. Tāpēc oļi nepeld.
Ja objektam ir mazāks vidējais blīvums nekā šķidrumam, tad tā peldspēja ir lielāka par tā svaru. Tāpēc, lai gan kuģis var būt izgatavots no tērauda, kura blīvums ir lielāks nekā ūdens, tas peld, jo tas aptver gaisa tilpumu, un tā rezultātā iegūtās formas vidējais blīvums ir mazāks nekā ūdens blīvums.
Saistītās lapas
- Zemūdene
- Pievilkšana
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir peldspēja?
A: Peldspēja ir spēks, kas iedarbojas uz objektu, liekot tam pacelties vai virzīties augšup, un to rada spiediena starpība, ko uz objektu rada šķidrums vai gaiss, kurā tas atrodas.
J: No kurienes ir cēlies vārds "peldspēja"?
A: Vārds "peldspēja" cēlies no spāņu valodas vārda boyar, kas nozīmē "peldēt".
J: Kāds ir neto peldspējas spēks, kas vērsts uz augšu?
A: Tīrais augšupvērstais peldspējas spēks ir vienāds ar šķidruma svara lielumu, ko izspiež ķermenis.
J: Ko peldspējas spēks ļauj objektam darīt?
A: Peldspējas spēks ļauj objektam peldēt vai vismaz šķist vieglākam.
J: Kādi transportlīdzekļi izmanto peldspēju?
A: Daudzi transportlīdzekļi, piemēram, laivas, kuģi, baloni un gaisa baloni, izmanto peldspēju.
J: Kā rodas peldspēja?
A: Peldspēju rada spiediena starpība, ko uz objektu rada šķidrums vai gaiss, kurā tas atrodas.
J: Kāpēc ir svarīga peldspēja?
A: Peldspēja ir svarīga daudziem transportlīdzekļiem, jo tā ļauj tiem peldēt vai noturēties virs ūdens.
