Cím: Archimedes törvénye
Szerző(k):  Major János 
Füzet: 1973/március, 139 - 140. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Egy folyadékba merülő testre a folyadék hidrosztatikai nyomásából származó erő, ún. felhajtóerő hat. Ez az erő a test felületének minden részén ható hidrosztatikai eredetű nyomóerők eredője. A felhajtóerő nagyságát, irányát és támadáspontját egy egyszerű gondolatmenet segítségével kaphatjuk meg.
Tekintsünk egy (részben vagy teljesen) folyadékba merülő testet. A test felületének minden egyes részén a hidrosztatikai nyomásból és a felületelem nagyságából kiszámítható nyomóerő hat a felületre merőleges irányban. Ezen erők eredőjét keressük. Gondolatban távolítsuk el a folyadékba merült testet és a folyadékba merült részét helyettesítsük folyadékkal. Az így kapott rendszer egyensúlyban van. Arra a folyadékrészre, amely a test helyén van, változatlan felhajtóerő hat, hiszen a hidrosztatikai nyomás és a felület változatlan maradt. Erre a "folyadékból levő'' testre a felhajtóerőn kívül még a súlyerő is hat, és a két erő eredője, valamint forgató nyomatékuk összege nulla az egyensúly feltétele miatt (Newton törvénye). Így a "folyadék''-testre ható felhajtóerő, amely megegyezik a folyadékba merülő igazi testre ható felhajtóerővel, azonos nagyságú és támadáspontú, mint a súlyerő, iránya pedig ellentétes (függőlegesen felfelé mutat). A "folyadék''-test pedig éppen a kiszorított folyadék, így Archimedes törvénye:
A folyadékba merülő testre ható felhajtóerő a kiszorított folyadék súlyával egyenlő, támadási pontja pedig a kiszorított folyadék súlypontja.
A felhajtóerő támadási pontjának, azaz a kiszorított folyadék súlypontjának (Sf) helye nagyon fontos az úszó testek (hajók) stabilitásának vizsgálatánál. A hajó dőlése esetén a felhajtóerő támadási pontja a hajóhoz képest elmozdulhat, a felhajtóerő és a súlyerő erőpárt alkotva vagy továbbforgatja a hajót, vagy az eredeti dőlést megszüntetni igyekszik. Az első esetben a hajó felborul, a másodikban az egyensúlyi helyzet stabil.
A hajó egyensúlyi helyzetéhez tartozó függőleges súlyvonalnak, amelyet a hajóhoz rögzítünk, és a felhajtóerő hatásvonalának metszéspontját metacentrumnak (M) nevezzük. A hajó egyensúlyi helyzetében a két egyenes azonos, a metacentrumnak ilyenkor nincs értelme. Dőlés esetén, ha az egyensúlyi helyzet stabil, a metacentrum a súlypont fölött lesz (1. ábra),

 

 

1. ábra
 

 

 

2. ábra
 

nem stabil úszás esetén a súlypont alatt (2. ábra). (S a hajó súlypontja.)
A metacentrum helyét két tényező határozza meg : a felhajtóerő támadási pontjának helye (a súlypont alatt vagy felett) és ennek a pontnak az elmozdulása a hajó dőlésekor. A hajók ezért általában akkor stabilak, ha a súlypontjuk mélyebben van, mint az Sf pont (ilyenek a mély merülésű keskeny hajók), vagy magas súlypont esetén az igen széles építésűek, melyeknél az Sf pont elmozdulása igen nagy (pl. lapos fenekű hajók, tutajok vagy a katamaran).
 Major János