Đổi hình dạng làm thay đổi thể tích chiếm chỗ
Với vật đặc đồng chất thả trong chất lỏng, bỏ qua lực cản và các tác dụng khác: nếu khối lượng riêng vật lớn hơn chất lỏng, trọng lượng lớn hơn lực đẩy khi ngập hoàn toàn nên vật có xu hướng chìm. Nếu khối lượng riêng nhỏ hơn, vật có thể nổi lên rồi cân bằng trên mặt.
Một cục đất nặn đặc có thể chìm; nặn thành dạng thuyền rỗng, đủ kín và không để nước tràn vào có thể nổi. Khối lượng đất nặn và khối lượng riêng vật liệu không tự giảm. Hình dạng mới giúp chiếm chỗ lượng nước lớn hơn trước khi mép thuyền ngập.
Với thuyền rỗng, cần xét cả khoảng không gian bên trong khi nói khối lượng riêng trung bình của thuyền. Không lấy riêng khối lượng riêng kim loại hoặc đất nặn rồi kết luận mọi thuyền làm từ chúng đều chìm.
Nổi yên: nước bị chiếm chỗ nặng bằng vật
Dữ liệu minh họa: mô hình thuyền nổi yên có trọng lượng $2\,\mathrm N$. Nước có $d=10\,000\,\mathrm{N/m^3}$; bỏ qua các lực khác.
Khi cân bằng, $F_A=P=2\,\mathrm N$. Từ $F_A=dV$:
$$V=\frac{2}{10\,000}=0{,}0002\,\mathrm{m^3}.$$
Đổi ra $200\,\mathrm{cm^3}$. Đây là thể tích nước bị thuyền chiếm chỗ, không phải thể tích toàn bộ phần thuyền ở trên và dưới nước.
Thêm tải làm trọng lượng tăng. Nếu thuyền vẫn nổi yên và chưa tràn nước, nó phải ngập thêm để chiếm chỗ nhiều nước hơn. Khả năng mang tải có giới hạn, không thể thêm tùy ý.
Bài luyện
Khối đặc đồng chất có D = 2 700 kg/m³ được thả từ nghỉ trong nước D = 1 000 kg/m³. Bỏ qua các lực khác. Kết luận phù hợp là gì?
Có lực đẩy chưa đủ để kết luận nổi.
Đúng: với khối đặc đồng chất, D lớn hơn nước cho xu hướng chìm.
Vật rắn ngập trong nước vẫn chịu lực đẩy.
Nước có khối lượng không khiến mọi lực tự bằng nhau.
Lời giải
Khối đặc đồng chất có $D_{\text{vật}}>D_{\text{nước}}$. Khi ngập, trọng lượng của khối lớn hơn trọng lượng phần nước cùng thể tích, tức lớn hơn lực đẩy. Trong điều kiện đề, khối có xu hướng chìm. Đáp án B.
Bài luyện
Cùng lượng đất nặn, từ cục đặc chìm thành thuyền rỗng kín có thể nổi. Giải thích nào đúng?
Đã giữ cùng lượng đất nặn nên khối lượng không tự mất.
Khối lượng riêng vật liệu không tự giảm chỉ do nặn hình.
Trọng lực vẫn hướng xuống.
Đúng: tăng khả năng chiếm chỗ nước để có lực đẩy cân bằng.
Lời giải
Nặn thành thuyền rỗng kín giữ nguyên lượng vật liệu nhưng tăng thể tích ngoài có thể chiếm chỗ nước trước khi mép bị ngập. Lực đẩy có thể cân bằng trọng lượng để thuyền nổi yên. Không phải khối lượng riêng đất nặn tự giảm. Đáp án D.
Bài luyện
Vật nổi yên có P = 3 N; chất lỏng d = 10 000 N/m³, không có lực khác. Thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ bằng bao nhiêu?
Đúng: V = P/d = 0,0003 m³ = 300 cm³.
Kết quả thiếu một hệ số 10.
Kết quả lớn hơn giá trị đúng 10 lần.
Đã nhân P với d thay vì chia.
Lời giải
Vật nổi yên nên $F_A=P=3\,\mathrm N$. Tính $V=F_A/d=3/10\,000=0{,}0003\,\mathrm{m^3}=300\,\mathrm{cm^3}$. Đáp án A.
Bài luyện
Thuyền đang nổi yên, thêm một ít tải và thuyền vẫn nổi yên, không tràn nước. So với trước, thể tích nước bị chiếm chỗ thế nào?
Trọng lượng tăng đòi lực đẩy lớn hơn khi cân bằng.
Hình dạng không đổi nhưng phần ngập có thể tăng.
Đúng: cùng d, FA = dV tăng khi V chiếm chỗ tăng.
Thuyền nổi vẫn chiếm chỗ nước và chịu lực đẩy.
Lời giải
Thêm tải làm $P$ tăng. Thuyền vẫn nổi yên nên $F_A=P$ cũng tăng. Cùng chất lỏng có $d$ không đổi, từ $F_A=dV$ suy ra thể tích nước bị chiếm chỗ tăng; thuyền ngập thêm. Đáp án C.