Prawo Archimedesa – na czym polega i jak powstało?

Prawo Archimedesa określa siłę wyporu, a zasady jego działania zdefiniował, zgodnie z nazwą prawa, Archimedes z Syrakuz. Prawo to głosi, że na ciało, które jest częściowo lub całkowicie zanurzone w cieczy, gazie lub plazmie działa siłą wyporu. Jest ona pionowa i skierowana ku górze, a jej wartość równa jest ciężarowi substancji wypartej przez ciało na które działa.

Prawo Archimedesa – treść i objaśnienia

Jeżeli pierwotna definicja Prawa Archimedesa nie jest dla was wystarczająco jasna, to można jeszcze zapisać w postaci alternatywnej: „Ciało zanurzone w cieczy traci pozornie na ciężarze tyle, ile wazy ciecz, która została wyparta przez to ciało”. Mówiąc jeszcze prościej, różnica między ciężarem ciała a ciężarem tego ciała w wodzie, jest równa ciężarowi wypartej cieczy. Analogicznie ciężar ciała w wodzie jest równy różnicy ciężaru tego ciała i ciężaru wypartej cieczy. Zależność ta sprawdza się również w gazach. Wspomniana w podstawowej definicji siła wyporu jest siłą działającą na ciało zanurzone w cieczy bądź gazie. Jest ona siłą przeciwną do siły ciężkości i musi być równa sile ciężkości pływającego ciała. Jest ona zależna od gęstości cieczy oraz objętości zanurzonej części danego ciała. Wyznacza się ją ze wzoru: Fw = ρ⋅g⋅V, gdzie „ ρ” oznacza gęstość cieczy, „g” – przyspieszenie ziemskie, a „V” – objętość zanurzonej części ciała (oraz wypartej cieczy).

Aby lepiej zobrazować, na czym polega prawo Archimedesa, posłużę się kilkoma prostymi przykładami, znanymi z życia codziennego. Zimą na powierzchni wody często możemy zaobserwować pływające lodowe kry. Jest tak dlatego, że lód ma mniejszą gęstość od wody. Podobnie, kiedy wrzucimy do niej drewnianą belkę, ta również wypłynie. Jest tak dlatego, że drewno tak jak lód ma mniejszą gęstość niż woda. To, że statki pływają po wodzie, możliwe jest właśnie dlatego, że siła wyporu równoważy siłę ciężkości. Statek, który wypływa z rzeki do Morza, zmniejszy głębokość zanurzenia, gdyż słona woda ma większą gęstość, a im większa gęstość ośrodka, w którym pływa ciało, tym większa będzie siła wyporu działająca na statek.

Jak powstało prawo Archimedesa?

Według greckich legend ówczesny król Syrakuz Herion II miał poprosić Archimedesa o to, aby ten zbadał czy korona, która została dla niego wykonana, jest faktycznie zrobiona ze złota. Król miał podejrzenie, że może być to pozłacane srebro. Władca chciał jednak, aby informację tę uzyskać bez uszkadzania korony. W starożytności jedynym sposobem weryfikacji z jakiego materiału wykonany jest przedmiot, było zginanie, z racji, że złoto jest metalem stosunkowo miękkim. Archimedes miał zauważyć podczas kąpieli, że ilość wody, która wypływa z wanny, odpowiada objętości ciała zanurzonego w wodzie. Odkrycie to miało go zainspirować do rozwiązania problemu z koroną. Gdy zrozumiał tę zależność, miał wyskoczyć z wanny i z okrzykiem „Eureka”, czyli znalazłem, wybiec nago na ulice Poleis.

W rezultacie naukowiec stworzył dwie bryły o identycznym ciężarze co korona, jedną ze srebra, a drugą ze złota. Napełnił wodą po brzegi duże naczynie i wrzucił do niego bryłę ze srebra. Dokonał pomiaru ilości wody, jaka upłynęła. Następnie eksperyment powtórzył z bryłą wykonaną ze złota. Okazało się, że w przypadku tej drugiej wypłynęła mniejsza ilość wody, a więc gęstość złota była mniejsza niż srebra. Mając tę wiedzę ponownie napełnił naczynie i wrzucił do niego koronę. Na podstawie pomiarów stwierdził, że przy zanurzeniu korony wypłynęło więcej wody niż w przypadku bryły złota o tym samym ciężarze. Tym samym przy pomocy tej obserwacji udowodnił, że korona miała znaczną domieszkę innego metalu i obnażył oszustwo królewskiego złotnika.