← Wszystkie rozdziały
ROZDZIAŁ • HYDROSTATYKA

🌊 Wypór i
prawo Archimedesa.

Dlaczego statek wykonany ze stali może pływać, a kamień wrzucony do wody tonie? Odpowiedzią jest siła wyporu — siła, z jaką ciecz lub gaz działają na zanurzone w nich ciało.

NA POCZĄTEK

🌍 Gdzie wykorzystujemy siłę wyporu?

Siła wyporu występuje wszędzie tam, gdzie ciało znajduje się w cieczy lub gazie. Dzięki niej możliwe jest między innymi pływanie statków, działanie łodzi podwodnych czy unoszenie balonów.

🚢 Statki Kadłub statku wypiera ogromną ilość wody. Dzięki sile wyporu statek może utrzymywać się na powierzchni.
🤿 Łodzie podwodne Zmieniając ilość wody w zbiornikach balastowych, łódź podwodna może zanurzać się i wynurzać.
🏊 Pływanie Woda działa na ciało człowieka siłą skierowaną ku górze, dzięki czemu możemy unosić się na wodzie.
🎈 Balony Siła wyporu działa również w gazach. Balon może unosić się w powietrzu, jeśli wypór jest odpowiednio duży.
⚓ Kamizelki ratunkowe Zwiększają objętość wypieranego płynu i pomagają utrzymać człowieka na powierzchni wody.
🧪 Areometry Przyrządy wykorzystujące pływanie ciał służą do określania gęstości cieczy.
01

🌊 Czym jest siła wyporu?

Siła wyporu to siła, z jaką ciecz lub gaz działa na zanurzone w nim ciało.

Jest skierowana pionowo do góry. Przeciwdziała więc ciężarowi ciała.

Fw

Symbol Fw oznacza siłę wyporu. Im większa część ciała znajduje się w cieczy, tym większą ilość cieczy ciało wypiera.

🔬 Wyobraź sobie
CIAŁO

Woda naciska na ciało ze wszystkich stron. Ciśnienie wody rośnie wraz z głębokością, dlatego nacisk od dołu jest większy niż nacisk od góry. Wypadkowa tych sił jest skierowana do góry.

02

⚖️ Prawo Archimedesa

Prawo Archimedesa zostało sformułowane przez starożytnego greckiego uczonego Archimedesa.

Mówi ono, że:

Na ciało zanurzone w cieczy lub gazie działa skierowana pionowo w górę siła wyporu równa ciężarowi wypartej cieczy lub gazu.

Oznacza to, że siła wyporu zależy przede wszystkim od:

  • gęstości cieczy lub gazu,
  • objętości zanurzonej części ciała,
  • wartości przyspieszenia grawitacyjnego.
03

📐 Wzór na siłę wyporu

Siłę wyporu obliczamy ze wzoru:

Fw = ρ · g · V

gdzie:

  • Fw — siła wyporu [N],
  • ρ — gęstość cieczy lub gazu [kg/m³],
  • g — przyspieszenie grawitacyjne [N/kg],
  • V — objętość wypartej cieczy [m³].

W zadaniach szkolnych często przyjmujemy:

g ≈ 10 N/kg
🧮 Przykład

Ciało zanurzono całkowicie w wodzie. Jego objętość wynosi 0,02 m³. Gęstość wody to 1000 kg/m³. Oblicz siłę wyporu.

Krok 1 — wzór:

Fw = ρ · g · V

Krok 2 — podstawiamy:

Fw = 1000 · 10 · 0,02

Krok 3 — wynik:

Fw = 200 N

Odpowiedź: siła wyporu wynosi 200 N.

04

🚢 Dlaczego jedne ciała pływają, a inne toną?

Na ciało znajdujące się w cieczy działają między innymi dwie ważne siły:

  • ciężar — skierowany w dół,
  • siła wyporu — skierowana w górę.
🟢 Ciało pływa Gdy siła wyporu równoważy ciężar ciała.
🔴 Ciało tonie Gdy ciężar ciała jest większy od siły wyporu.
🔵 Ciało wynurza się Gdy siła wyporu jest większa od ciężaru.
⚖️ Równowaga Dla ciała pływającego: Fw = Fg.

📌 Gęstość ma znaczenie

Dla prostego przypadku jednorodnego ciała można powiedzieć, że jeżeli jego średnia gęstość jest mniejsza od gęstości cieczy, ciało może w niej pływać.

ρciała < ρcieczy → ciało może pływać
ρciała > ρcieczy → ciało tonie
05

🧪 Gęstość cieczy a siła wyporu

Dla tej samej objętości zanurzonego ciała większą siłę wyporu otrzymamy w cieczy o większej gęstości.

Ciecz Przykładowa gęstość Wpływ na wypór
Woda około 1000 kg/m³ duży
Olej około 900 kg/m³ mniejszy niż w wodzie
Woda morska około 1025 kg/m³ nieco większy niż w wodzie słodkiej
🌊 Dlaczego łatwiej unosić się w Morzu Martwym?

Woda w Morzu Martwym ma bardzo dużą zawartość soli, a więc większą gęstość niż zwykła woda.

Przy tej samej objętości zanurzonego ciała większa gęstość wody oznacza większą siłę wyporu. Dlatego człowiek może łatwiej utrzymywać się na jej powierzchni.

06

🧠 Przykłady z rozwiązaniami

Zadanie przykładowe 1

Ciało o objętości 0,005 m³ całkowicie zanurzono w wodzie. Gęstość wody wynosi 1000 kg/m³. Przyjmij g = 10 N/kg.

Fw = ρ · g · V
Fw = 1000 · 10 · 0,005
Fw = 50 N

Odpowiedź: siła wyporu wynosi 50 N.

Zadanie przykładowe 2 — statek

Statek wypiera 200 m³ wody. Przyjmij gęstość wody 1000 kg/m³ oraz g = 10 N/kg. Oblicz siłę wyporu.

Fw = 1000 · 10 · 200
Fw = 2 000 000 N

Siła wyporu wynosi 2 MN.

Jeżeli statek pływa spokojnie, jego ciężar jest równy sile wyporu.

Zadanie przykładowe 3

Ciało ma ciężar 80 N, a działająca na nie siła wyporu wynosi 100 N. Co stanie się z ciałem?

Fw > Fg

Siła wyporu jest większa od ciężaru, więc ciało będzie poruszać się do góry, czyli będzie się wynurzać.

07

🎮 Interaktywne obliczenia

Wprowadź gęstość cieczy, objętość zanurzonej części ciała i przyspieszenie grawitacyjne. Kalkulator obliczy siłę wyporu.

🌊 Oblicz siłę wyporu

Wzór: Fw = ρ · g · V


⚖️ Czy ciało będzie pływać?

Podaj masę i objętość ciała. Program porówna jego średnią gęstość z gęstością wody.


🌊 Zmieniaj objętość

Sprawdź, jak zmiana objętości wypartej wody wpływa na siłę wyporu.

Objętość: 0.010

08

✏️ Zadania dla ucznia

Rozwiąż zadania samodzielnie. Przyjmij w każdym zadaniu, jeśli nie podano inaczej, g = 10 N/kg.

Zadanie 1

Ciało o objętości 0,01 m³ całkowicie zanurzono w wodzie o gęstości 1000 kg/m³. Oblicz siłę wyporu.


Zadanie 2

Ciało o objętości 0,02 m³ zanurzono w wodzie. Oblicz siłę wyporu.


Zadanie 3

Ciało wypiera 0,5 m³ wody. Oblicz siłę wyporu.


Zadanie 4

Na ciało działa siła wyporu 300 N. Objętość wypartej wody wynosi 0,03 m³. Jaka jest gęstość cieczy?


Zadanie 5

W którą stronę skierowana jest siła wyporu?


Zadanie 6

Który wzór opisuje prawo Archimedesa?


Zadanie 7

Co stanie się z siłą wyporu, jeśli objętość wypartej cieczy zwiększy się dwukrotnie?


Zadanie 8

Ciało ma ciężar 50 N, a siła wyporu wynosi 80 N. Co się stanie?


Zadanie 9

Ciało ma ciężar 100 N i siłę wyporu 100 N. Jak zachowuje się ciało?


Zadanie 10

Dlaczego statek wykonany ze stali może pływać?


Zadanie 11

Ciało o objętości 0,04 m³ zanurzono w cieczy o gęstości 800 kg/m³. Oblicz siłę wyporu.


Zadanie 12

Ciało o masie 5 kg ma objętość 0,01 m³. Czy jego średnia gęstość jest większa, czy mniejsza od gęstości wody?