Корице уџбеника

3.6. Пливање И Тоњење Тела

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Равномерно праволинијско кретање \( \Rightarrow \) равнотежа \[ F_r = 0 \] \[ |F_1 - F_2| = 0 \Rightarrow F_1 = F_2 \] исти правац, супротни смерови

Детаљно решење

Тело које се креће равномерно праволинијски налази се у стању равнотеже, па је резултујућа сила једнака нули.

Корак 1: Постављамо услов равнотеже

Пошто се тело креће равномерно праволинијски, оно је у стању равнотеже. То значи да је резултујућа сила свих сила које на њега делују једнака нули: \[ F_r = 0 \]

Корак 2: Анализирамо слагање двеју сила

Две силе могу дати резултанту интензитета нула само ако леже на истом правцу, тј. ако су колинеарне. Када би заклапале неки угао, њихова резултанта (дијагонала паралелограма) имала би интензитет различит од нуле. Колинеарне силе супротних смерова слажу се одузимањем интензитета: \[ F_r = |F_1 - F_2| = 0 \]

Корак 3: Изводимо закључак

Из последње једнакости следи да је \( F_1 = F_2 \). Дакле, обе силе имају једнаке интензитете, делују дуж истог правца и имају супротне смерове. Такав пар сила међусобно поништава своје дејство, па тело наставља да се креће сталном брзином по правој линији.

Кратак запис решења:

Из \( F_r = 0 \) следи \( F_1 = F_2 \): силе су истог правца, а супротних смерова.

Најважније из лекције

Понашање тела у течности зависи од односа густина:
  • \( \rho > \rho_t \implies F_g > F_p \implies \) Тело тоне (нпр. камен или метал у води).
  • \( \rho = \rho_t \implies F_g = F_p \implies \) Тело лебди на било којој дубини (нпр. посуда са водом у води).
  • \( \rho < \rho_t \implies F_g < F_p \implies \) Тело плива (нпр. плута, дрво или лед у води).
Закон плутања: Тело које плута налази се у равнотежи (\( F_g = F_p \)). Део запремине који је потопљен одређен је формулом \( \frac{V_{\text{пот}}}{V} = \frac{\rho}{\rho_t} \).
Када се тело потпуно потопи у течност, на њега истовремено делују две вертикалне силе супротног смера:
  • Сила Земљине теже (\( F_g \)) - делује вертикално наниже (\( F_g = \rho \cdot V \cdot g \)).
  • Сила потиска (\( F_p \)) - делује вертикално навише (\( F_p = \rho_t \cdot V \cdot g \)).
Илустрација веће посуде са течношћу у којој се налазе три тела: прво тело веће густине тоне ка дну (\( F_g > F_p \)), друго тело исте густине као течност лебди унутар течности (\( F_g = F_p \)), а треће тело мање густине испливава на површину (\( F_g < F_p \)).
Понашање тела Однос густина Однос сила Опис кретања
Тоњење \( \rho > \rho_t \) \( F_g > F_p \) Резултујућа сила делује наниже; тело се спушта док не додирне дно.
Лебдење \( \rho = \rho_t \) \( F_g = F_p \) Силе су уравнотежене; тело мирује на било којој дубини у течности.
Пливање (испливавање) \( \rho < \rho_t \) \( F_g < F_p \) Резултујућа сила делује навише; тело се креће ка површини и делимично израња.
Како ће се понашати куглица од воска чија је густина \( \rho = 900 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \) ако се спусти у воду густине \( \rho_t = 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \)?
Пошто је густина воска мања од густине воде (\( 900 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} < 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \)), сила потиска на потпуно потопљену куглицу већа је од силе теже (\( F_p > F_g \)).
Одговор: Куглица ће испливати на површину и плутати (пливати).
Када тело мање густине исплива на површину, један део његове запремине остаје у течности (\( V_{\text{пот}} \)), док се остатак налази изнад површине (\( V_{\text{изнад}} \)).
Тело плута у стању равнотеже, што значи да се његова сила теже изједначава са силом потиска која делује само на потопљени део тела: \[ F_g = F_p \] \[ \rho \cdot V \cdot g = \rho_t \cdot V_{\text{пот}} \cdot g \]
\[ \frac{V_{\text{пот}}}{V} = \frac{\rho}{\rho_t} \] Однос потопљене запремине и укупне запремине тела једнак је односу густине тела и густине течности.
Запремина дела тела који се налази изнад површине израчунава се као: \[ V_{\text{изнад}} = V - V_{\text{пот}} \]
Коцка од плуте запремине \( V = 100 \text{ cm}^3 \) има густину \( \rho = 240 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \). Ако плута на води густине \( \rho_t = 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \): \[ V_{\text{пот}} = \frac{\rho}{\rho_t} \cdot V = \frac{240}{1000} \cdot 100 \text{ cm}^3 = 24 \text{ cm}^3 \] Изнад површине воде налази се \( V_{\text{изнад}} = 100 \text{ cm}^3 - 24 \text{ cm}^3 = 76 \text{ cm}^3 \).
Санта леда густине \( 900 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \) плута у води густине \( 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \). Колики део запремине санте је испод воде?
\[ \frac{V_{\text{пот}}}{V} = \frac{\rho_{\text{лед}}}{\rho_{\text{вода}}} = \frac{900}{1000} = 0,9 = 90 \% \] Одговор: Тачно \( 90 \% \) запремине санте леда налази се испод воде, а само \( 10 \% \) изнад.
\[ \rho = \frac{m}{V} \] \[ F_g = m \cdot g = \rho \cdot V \cdot g \] \[ F_p = \rho_t \cdot V_{\text{пот}} \cdot g \] \( \rho \) - густина тела (\( \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \)), \( \rho_t \) - густина течности (\( \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \)), \( V \) - укупна запремина (\( \text{m}^3 \)), \( V_{\text{пот}} \) - потопљена запремина (\( \text{m}^3 \)), \( g \approx 9,81 \frac{\text{m}}{\text{s}^2} \) - гравитационо убрзање.
Приликом решавања задатака, све величине је неопходно превести у основне мерне јединице:
  • \( 1 \text{ dm}^3 = 0,001 \text{ m}^3 = 1 \text{ l} \)
  • \( 1 \text{ cm}^3 = 0,000001 \text{ m}^3 \)
  • \( 1 \text{ g} = 0,001 \text{ kg} \)
Камен запремине \( 1 \text{ dm}^3 \) тоне кроз воду густине \( 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \). Колика сила потиска делује на њега?
Пошто је камен потпуно потопљен, \( V_{\text{пот}} = 1 \text{ dm}^3 = 0,001 \text{ m}^3 \). \[ F_p = \rho_t \cdot V \cdot g = 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \cdot 0,001 \text{ m}^3 \cdot 9,81 \frac{\text{m}}{\text{s}^2} = 9,81 \text{ N} \] Одговор: Сила потиска износи \( 9,81 \text{ N} \).

Задаци за вежбање

Задатак 1 (лак): Дрвена коцка густине \( 600 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \) и гвоздена кугла густине \( 7800 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \) спуштене су у воду (\( \rho_v = 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \)). Шта ће се десити са сваким од ових тела?
Упоређујемо густине тела са густином воде:
  • За дрво: \( \rho_{\text{дрво}} = 600 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} < 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \implies \) дрвена коцка ће пливати.
  • За гвожђе: \( \rho_{\text{гвожђе}} = 7800 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} > 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \implies \) гвоздена кугла ће потонути.
Задатак 2 (средњи): Лопта масе \( 150 \text{ g} \) има запремину \( 0,5 \text{ dm}^3 \).
а) Израчунај густину лопте.
б) Да ли ће лопта тонути, лебдети или пливати када се спусти у базен са водом (\( \rho_t = 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \))?
Претварамо у основне јединице:
\( m = 150 \text{ g} = 0,15 \text{ kg} \)
\( V = 0,5 \text{ dm}^3 = 0,0005 \text{ m}^3 \)
а) Густина лопте је: \[ \rho = \frac{m}{V} = \frac{0,15 \text{ kg}}{0,0005 \text{ m}^3} = 300 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \] б) Пошто је \( \rho = 300 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} < 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \), лопта ће пливати (испливати на површину).
Задатак 3 (средњи): Ледена санта густине \( 920 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \) плута у мору чија је густина \( 1030 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \). Колики проценат запремине санте се налази изнад површине воде?
Однос потопљеног дела запремине према укупној запремини је: \[ \frac{V_{\text{пот}}}{V} = \frac{\rho_{\text{лед}}}{\rho_{\text{море}}} = \frac{920 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3}}{1030 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3}} \approx 0,893 = 89,3 \% \] Део санте који се налази изнад површине: \[ V_{\text{изнад}} = 100 \% - 89,3 \% = 10,7 \% \] Одговор: Изнад површине воде налази се \( 10,7 \% \) укупне запремине санте.
Задатак 4 (тежак): Тело укупне запремине \( V = 500 \text{ cm}^3 \) плута на води (\( \rho_v = 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \)) тако да је \( 150 \text{ cm}^3 \) његове запремине изнад нивоа воде. Одредити густину и масу тог тела.
1. Запремина потопљеног дела тела је: \[ V_{\text{пот}} = V - V_{\text{изнад}} = 500 \text{ cm}^3 - 150 \text{ cm}^3 = 350 \text{ cm}^3 = 0,00035 \text{ m}^3 \] 2. Из услова плутања (\( F_g = F_p \)): \[ \rho = \rho_v \cdot \frac{V_{\text{пот}}}{V} = 1000 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \cdot \frac{350 \text{ cm}^3}{500 \text{ cm}^3} = 700 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \] 3. Маса тела: \[ m = \rho \cdot V = 700 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \cdot 0,0005 \text{ m}^3 = 0,35 \text{ kg} = 350 \text{ g} \] Одговор: Густина тела је \( 700 \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \), а маса је \( 350 \text{ g} \).

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: