СұЙЫҚтар мен газдардың Қасиеттері

Осы күштің пайда болуын мынадай қарапайым мысалда түсіну оңай. Кесекті жүктелетін дене тығыздығына тең болмайтын тығыздықпен сұйықтыққа L биіктікте және S негізі ауданында батырамыз(5 – сурет) (ρ_с≠ ρ_дене).

5 – сурет. Сұйыққа батырылған кесек

Тәжірибелерден айта кетерлігі, дененің сұйыққа батуы кезінде батырылған денеге кері әсер етеін күш пайды болады. Батырылған денені кері итеретін сұйық (немесе газ) күші - кері итеруші немесе Архимед күші деп аталады. Бұл күш сұйық тереңдігіне байланысты артады: жоғарыдан төмен қарай әсер ететін қысым күші төменнен жоғары қарай әсер ететін қысым күшінен төмен болады.

6 – сурет. Тіктөртбұрышты параллелипед.

мұндағы -жоғары негізгі үстіндегі сұйықтың биіктігі, -сұйықтың тығыздығы, S–негіздің ауданы.Төменгі негізге әсер ететін сұйықтың күш модулі: ,мұндағы - төменгі негіз орналасқан тереңдік. Бірақ , сондықтан . Сәйкессінше, тең әсер етуші күш модулі

Биіктік параллепипедін ( ) әрпімен белгілейік. Онда

Егер дене толықтай емес, тек қана бір бөлігі ғана бататын болса, онда дегеніміз дененің тек қана батқан бөлігінің ғана көлемі. Тіркестің оң жағы батырылған денемен сығылатын сұйықтың салмағына тең. Сондықтан сұйыққа батырылған денеге сұйықтың салмағына тең көлемнің батырылған дене бөлігіне кері итеруші күш әсер етеді деуімізге болады. Мұны Архимед заңы деп атайды.

Архимед заңында ауырлық күші туралы емес, сығылған сұйық салмағы туралы айтылады. Бұл маңызды ескерту, себебі, дене салмағы мен ауырлық күші сәйкес келмеуі де мүмкін. екінші маңызды ескерту Архимед заңын дәлелдегенде кесектің барлық беті сұйыққа жанасады деп есептеп, денені сұйыққа толығымен батқан деп есептедік. Егер дене беті өзінің қандай да бір бөлігінде сұйықпен байланыста болмаса, онда Архимед заңы қолданылмайды. Бұл фактті суреттеу үшін жиі жақсы есте сақталатын мысал келтіріледі. Жоғарыдағыларды еске түсіретін кесектің тегіс төменгі бетін парафинмен сүртеді, ыдыстың тегіс түбіне тығыз орнатады. Кейін оған қабырғасы бойынша суды абайлап құяды. Кесек қалқымайды, себебі су жағынан жоғарыға көтеретін емес, ыдыс түбіне басатын оған күш әсер етеді. Бірақ жағдай егер суға кесектің төменгі шегіне енуге ықпал жасаса, тез өзгереді.Осы шектің астында судың кіші қабаты итергіш күштің болуын қамтамасыз етеді және кесек қалқи бастайды. Осыған ұқсас жағдай жайлы сазда тығыз жатқан сүңгуір қайық үшін үлкен қауіптілікті тудырады.

Архимед заңы дене сұйықта қалқыса немесе оған еркін, яғни сұйықтық бетіне, ыдыс қабырғасымен жанаспайтын біртіндеп қалқыса әділ болады. Архимед заңы бір денелердің қалқитынын, ал екіншілері бататынын; болатты пластина батып, ал үлкен болатты кемелер жүзетінін; ауыр дене суда жеңіл болатынын түсіндіруге мүмкіндік береді. Осы болмысты түсіндіру үшін осы барлық жағдайларда бір- біріне қарама-қарсы бағытталған ауырлық күші мен итергіш күші шамаларын салыстыру жеткілікті. Егер біріншісі артық болса, онда дене қалқып шығады және бетінде тұрады, осы кезде сұйықтың онымен сығылған көлемі дененің өзінің көлемінен төмен болады. Егер итергіш күш ауырлық күштен аз болса, онда дене батады және түбіне түсіріледі, ал қысым күші Архимед күші шамасына түбіне төмендейді. Архимед заңы ауада болатын денелерге де қолданылады. Осы жағдайда денеге дәл өлшеу жүргізу кезінде дене көлемінде ауа салмағына тең итергіш күш әсер етеді деп есептеу қажет. Архимед заңы кейде былай тұжырымдайды: сұйықтыққа немесе газға батқан дене өз салмағында онда сығылған сұйықтық пен газ қанша тартса соншалықты салмағын жоғалтады.

Шексіз аспан және тылсым мұхит тереңдері адамды мұхит тереңіне тереңірек түсуге немесе аспанға биігірек ұшуға түрткі бола отырып, үнемі өзіне тартатын. Осыдан екі мың жыл бұрын ең ежелгі заңдардың бірі, бізге мектеп қабырғасынанда физика пәнінен ең алғаш танысатын заңдардың бірі – Архимед заңы пайда болған. Сол мезеттен бастап, екі табиғи күшті ғылыми түрде меңгеру және гидроаэростатиканың пайда болуа бастау алады.

Дарынды ғұламалардың ойы бұл заңды қолдану және түсіну жолындағы биік баған секілді. Үлкен биіктіктерге ұшу немесе су астына тереңірек сүңгу, тек қана рекорд үшін ғана емес, қазіргі таңда замануи технологиялармен жабдықталған құрылғылардың көмегімен жүзеге асырылады. Атмосфераны зерттеу, оның ішінде ғаламдық жылынуды салдарын, аспаннан барлау жасау, жүктерді жермен өту мүмкін болмайтын жерлерге апару, суасты және су үсті флотты жетілдіру, су астындағы пайдалы қазбаларды іздеу – бұл тапсырмалардың кішігірім тізімі ғана. Ол тапсырмаларды орындау үшін аэростаттар мен дирижабльдер, батискафтар мен зерттеу кемелер қажет, ал ол жұмыстардың негізінде біздің Архимед заңы жатыр.

Архимед ең алдымен өзін теоретик деп есептесе де, қосымша тәжірибелік жұмыс аясын екінші сортқа жатқызатын. Оның атымен 40 жуық өнертабыстар байланыстырылады.

Ғылымда Паскаль есімін алған және гидростатиканың негізгі заңдарының бірі болған мақұлдау нақты түрде болмаса да Леонардо да Винчидің, Стеванидің, Галилеоның, Торричелидің еңбектерінде кездесуі мүмкін.

Архимед заңы өзінің тарихи маңыздылығына қарамастан, табиғаттың фундаменталды заңдарына қатысы жоқ. Осылайша оны Паскаль заңының тікелей нәтижесі деп есептеуге болады; Стевин сұйықтың қату әдісінің көмегімен тепе теңдік принциптерінен шыға отырып, жеңіл түрде оны негіздеген болатын; Архимед заңын энергияның сақталу заңынан да шығаруға болады.

Адамдар ерте кезде Архимед заңын есептеулерді қолданбай,су кедерлгілерінен өту қажеттігі туындағанда бұл заңға сүйенетін. Тек 1666 жылы ағылшындық кеме жасаушы Энтони Дин замандастарының таңданысына қарай, теориялық түрде кеменің шөгу дейгейін анықтады және кемені суға түсірмей жатып, оның бүйірінде зеңбіректерге арналған тесіктер жасады. Оған дейін зеңбіректерге арналған саңылаулар тек кеме суға түскеннен соң жасалатын.

Аэростатиканың негізін салушылардың бірі ретінде Роберт Бойлды жатқызады. Оның есімімен әйгілі газ заңы аталды. Осылайша үлкен көлемдегі қоймадан ауаны сорып шығару сорғысын жетілдіргеннен кейін, ұшатын құрылғылар «ауаға салыстырғанда жеңіл» жасау жөніндегі жобалар пайда болады. Айта кетерлігі мұндай машиналарды әскери салада қолдану жолдары қарастырылған.

Адамдардың ыстық түтінмен толтырылған ауа шарында ұшуы ағайынды Монгольфиелерге ұзақ уақыт бойы Француз королі аэронавтардың өмірі үшін алаңдауына байланысты ұшуға рұқсат бермеді. Ең алғашқы ұшу тек 1783 жылы жүзеге асты. Дәл сол жылы ұлы математик Леонард Эйлер (сол жылы қайтыс болды) аэростаттың көтергіштік күшін анықтады. Физика заңдары жөніндегі біліміне сүйене отырып, саналы түрде тәуекелге баруды мұра ретінде қалдырғандай болды.

1932 жылы Швейцариялық физик Огюст Пикар өзі жасаған аэростаттың көмегімен стратосфеараға шамамен 17 километр қашықтыққа көтерілді, ал кейінірек өзі жасаған батискафта Орта теңіздік ең терең жеріне сүңгіген болатын. 1960 жылы оның баласы Жак «Триест» батискафында рекордтты тереңдік 11 километр Мариан шұңғымасына сүңгіген болатын. Отбасылық дәстүрде Огюст Пикардың немересі – Бертран жалғастырды. Ол 1999 жылы «Орбитер» шарында 20 күнде аралық тоқтаусыз жер шарын айналу саяхатына шығады.

Ғалам кеңістігі моделінің авторы Александр Фридман метрологиямен де айналысқан. 1925 жылы сол уақытта рекордты болған 7400 метр қашықтыққа әуе шарында көтерілу шарасына қатысқан болатын. Ал ғылыми жетекшісі болған салыстырмалылық теориясының авторы Альберт Эйнштейн Огюст Пикар аэростатпен аспанға аталмыш теорияны дәлелдеу мақсатында зерттеу жүргізу үшін де ұшқан болатын.

Батискафмен мұхит тереңдеріне сүңгитін адамдарды ғаламат қысымға шыдауға мүмкіндік беретін арнайы керамикалық қабатпен қапталған роботтар алмастырды. Осылайша 2009 жылы америкалық «Нерей» роботы Мариан шұңғымасының түбінде түрлі өлшемдер жасай отырып 10 сағат жүрген болатын.

Ауа шары немесе дирижабльдің ұшуы сүңгуір қайық қозғалысына ұқсас. Егер қабықтағы газбен бірге ұшқыш аппаратының бар салмағы аппаратпен сығылған көлемдегі ауаның салмағынан аз болса шар көтеріледі. Егер бұл салмақтар тең болса, онла шар қозғалыссыз ілініп тұрады, ал егер аппарат салмағы сығылған ауа салмағынан артықболса, онда шар түсіріледі. Архимед заңы сұйықтықтардағыдай газдарда да орындалады. Газдардағы ығыстыратын күштің пайда болу сипатымен байланысатын ерекшеліктерге тоқтап кетелік. Ауа шарының қабығыы жеңіл газ, мысалы сутегімен толтырылсын делік. Ауа шарының төменгі бөлігі ашық, және төменгі саңылауда сутегі қысымы сыртқы ауа қысымына тең болады. Биіктігімен газ қысымы төмендейді, газ ауыр болған сайын қысым өзгерісінің жылдамдығы жоғары болады. (сондықтан да жертөлелерде ауыр (мысалы,СО₂) ауырлау газдардың жиналуы болады).

Ауа қабығында ауа (сыртында) мен сутегі (ішінде) қысымының түрлі төмендеуі болады. Жеңілдеу сутегінің қысымы ауа қысымына қарағанда биіктігімен жайлап кемиді. Осыған байланысты қабықшаға ішінен артық қысым, әсіресе қабықтың жоғары бөлігінде сезілетін қысым әсер етеді. Ішкі жағынан күмбезге әсер ететін күш сыртынан әсер ететін күштен артық болады. Ұстап тұратын (итергіш) күш бұл жағдайда қабықтың жоғары бөлігіне ішкі және сыртқы жағынан қысымдардың айырмашылығы есебінен пайда болады. Сондықтан да сутегіне шар көлемін төмендету үшін қабықтан түсіруге мүмкіндік беретін және оны түсіруге мәжбүрлейтін клапанды жоғары бөлікте (шар корзинасынан жіп көмегімен оны ашады) жасайды. Қабықтың төменгі бөлігіндегі клапан мақсатқа жетпес еді, мұнда сутегі және сыртқы ауа қысымдары бірдей.

Алғашқы ауа шарлары ыстық ауамен толтырылды. Қыздырылған ауа салмағы сығылған салқын ауа салмағынан төмен. Меншікті салмақтың төмендеуі зор емес: 0°С-ден 100°С дейін қыздырғанда— барлығы шамамен төртке.