Archimedes' Principe Begrepen: Definitie, Formule en Praktische Toepassingen

Archimedes ontdekte het opwaartse kracht principe, dat in diverse toepassingen wordt gebruikt, waaronder schepen. Het stelt hen in staat te drijven wanneer het gewicht van het verdrongen water gelijk is aan het scheepsgewicht. Elk voorwerp gevormd om zijn eigen gewicht aan water te verdringen vóór het punt van onderdompeling, zal zeker drijven.

Vandaag leert u de definitie, toepassingen, formule, afleiding, experimenten, voorbeeld en berekening van Archimedes' principe.

Wat is Archimedes' Principe?

Archimedes' principe behandelt krachten die vloeistoffen uitoefenen op een object dat erin gedoopt is. Deze toegepaste kracht verlaagt het nettogewicht van het in een vloeistof gedompte object. Dit principe kan ook worden gezien als de fysieke wet van opwaartse kracht, die ons helpt begrijpen hoe schepen in water drijven.

Met andere woorden: elk object, volledig of gedeeltelijk gedoopt in een vloeistof, wordt omhoog geduwd door een kracht gelijk aan het gewicht van de vloeistof die het object verdringt. Hierdoor kan de opwaartse kracht van elk drijvend object, gedeeltelijk of volledig gedoopt, berekend worden.

De neerwaartse kracht op het object noemen we gewicht. De omhoog gerichte of opstuwingskracht is wat Archimedes' principe stelt. De netto kracht op het object is het verschil tussen de grootte van de opstuwingskracht en het gewicht.

Als deze netto kracht negatief is, zinkt het object zeker; als positief, stijgt het object. Als het gewicht van het object nul is, is het neutraal drijvend – het blijft op zijn plek zonder te zinken of te stijgen.

In eenvoudige termen: Archimedes' principe stelt dat wanneer een lichaam volledig of gedeeltelijk in een vloeistof gedoopt wordt, het een schijnbaar gewichtsverlies ervaart. Dit gewichtsverlies is gelijk aan het gewicht van de vloeistof verdrongen door het gedompte deel van het lichaam.

Dit principe kan worden gesteld als: de omhoog gerichte opstuwingskracht die op een in een vloeistof gedoopt lichaam wordt uitgeoefend, ofwel gedeeltelijk ofwel volledig, is gelijk aan het gewicht van de vloeistof die het lichaam verdringt en treedt op in de omhoog gerichte richting bij het zwaartepunt van de verdrongen vloeistof.

Toepassingen van Archimedes' Principe

Hieronder de toepassing van Archimedes' principe in diverse gebieden:

Duikboot:

De toepassingen in duikboten zijn veelvoorkomend door hun relatie met de zee. Ze kunnen onder water blijven door een component genaamd ballasttank, die water inlaat. Dit zorgt ervoor dat de duikboot op zijn positie onder water blijft, omdat het gewicht groter is dan de opwaartse kracht.

Areometer (Hydrometer):

Voor het meten van de relatieve dichtheid van vloeistoffen wordt een areometer gebruikt. Het bestaat uit een loodschot dat ze verticaal in de vloeistof laat drijven. Hoe dieper het areometer zinkt, hoe lager de dichtheid van de vloeistof.

Heetluchtballon:

Heetluchtballons kunnen in de lucht drijven omdat de opwaartse kracht van de ballon kleiner is dan die van de omringende lucht. De ballon daalt wanneer de opwaartse kracht groter is. Dit wordt bereikt door de hoeveelheid hete lucht in de ballon te variëren.

Formule van Archimedes' Principe

Zoals eerder vermeld, stelt Archimedes' wet dat de opstuwingskracht op een object gelijk is aan het gewicht van de vloeistof verdrongen door het object. Wiskundig geschreven als:

• Fb = ρ × g × V, waar
• Fb de opstuwingskracht is
• ρ de dichtheid van een vloeistof
• V het gedompte volume
• g de zwaartekrachtversnelling

Afleiding van Archimedes' Principe

• De massa van de verdrongen vloeistof is: Massa = Dichtheid × Volume = ρ × V
• Dit omdat dichtheid (ρ) gedefinieerd is als: Dichtheid, ρ = Massa/Volume = M/V
• Het gewicht van die verdrongen vloeistof is: Gewicht = Massa × Zwaartekrachtversnelling
• W = M × g = ρ × V × g
• Uit Archimedes' principe: Schijnbaar gewichtsverlies = gewicht van verdrongen water = ρ×V×g
• De duwkracht (opstuwingskracht) is dus: Duwkracht = ρ × V × g

Waarbij:

• ρ de dichtheid van de vloeistof
• V het volume van de verdrongen vloeistof

De duwkracht staat ook wel bekend als opstuwingskracht omdat het verantwoordelijk is voor drijvende objecten. Deze vergelijking wordt dus ook de wet van opwaartse kracht genoemd.

Opgeloste Voorbeelden van Archimedes' Principe

Vraag 1: Bereken de resulterende kracht als een stalen bal met straal 6 cm in water gedoopt wordt.

• Gegeven: Straal = 6 cm = 0,06 m
• Volume van stalen bal, V = 4/3πr³ = 4/3π(0,06³) = 9,05 × 10⁻⁴ m³
• Dichtheid water, ρ = 1000 kg/m³
• Zwaartekrachtversnelling, g = 9,8 m/s²
• Formule: Fb = ρ × g × V
• Fb = (1000) (9,8) (9,05 × 10⁻⁴) = 8,87 N

Vraag 2: Bereken de opstuwingskracht als een drijvend lichaam 95% in water gedoopt is. Dichtheid water = 1000 kg/m³.

• Gegeven: ρ = 1000 kg/m³
• Formule: Fb = ρ × g × V of Vb × ρb × g = ρ × g × V
• Waarbij: ρ, g, V zijn dichtheid, versnelling, volume van water; Vb, ρb, g van het gedompte lichaam
• Herschikken: ρb = Vρ/Vb
• Aangezien 95% gedoopt is: 0,95 × Vb = V
• ∴ ρb = 950 kg/m³

Conclusie

Archimedes' principe behandelt krachten die vloeistoffen uitoefenen op een object dat erin gedoopt is. Deze kracht verlaagt het nettogewicht van het gedompte object. Dit principe kan ook worden gezien als de fysieke wet van opwaartse kracht, die ons helpt begrijpen hoe schepen in water drijven.