怎样证明阿基米德浮力定律
来源:学生作业帮助网 编辑:作业帮 时间:2024/04/29 09:39:17
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阿基米德浮力定律一开始是由阿基米德通过无数次的实验得出的:浸在液体里的物体受到向上的浮力,浮力大小等于物体排开液体所受重力.
这个定律的证明其实并不难:我们用p(r)表示液体在不同位置的压强,它是关于位置r的函数.这里我们仅讨论各向同性的液体(如水,在各个方向上性质相同),那么p(r)是个标量.而浮力实际上就是液体对物体的总压力(液体对物体表面的压力的合力),F浮=∫∫ p(r)ds(压强关于面积的积分),此处不好用高斯定理或者stokes定理(因为p(r)是标量且是面积和体积之间的关系),所以用一个高斯定理的一个推论:Φ(x,y,z)=Φ(r)为可微的三维的点函数,则存在下列面积分和体积分的关系:=∫∫ Φds=∫∫∫▽(Φ)dV.(即面积的积分等于梯度的体积分).则F浮=∫∫∫▽(p)dV
在来看液体压强的形成:液体的内压强是由上层液体的重量引起的,对于均匀的流体,不难由以一为单位面积为底柱体中的液体重量得到在r=(x,y,z)处的压强p(r)=r(x,y,z)=ρg(h-z),其中ρ,h,g分别为液体的密度,液面高度和重力加速度.把压强公式代入即得:F=ρg∫∫∫dV=ρgV,由此即得阿基米德定律.当然,这个结论把地球想象成了平的,在地球为类球形的情况下,阿基米德定律是存在一定的误差的,当流体的体积过大时.
微元dS上受的力等于F=ρgz{cosa,cosb,cosc}dS={ρgzdydz,ρgzdxdz,ρgzdxdy}然后积分 前面两个分量的积分都是0 因为曲面积分前侧和后侧的结果 异号
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