Versione italiana
Esercizi sul Principio di Archimede
Concetti Principali
Definizione
Il principio di Archimede afferma che un corpo immerso in un fluido (liquido o gas) subisce una forza di galleggiamento verso l'alto, pari al peso del fluido spostato dal corpo. Questa forza è chiamata spinta idrostatica.
Formula della Spinta Idrostatica
La spinta idrostatica F_b può essere calcolata con la seguente formula:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g
dove:
- \rho_f è la densità del fluido
- V_s è il volume del fluido spostato (che è uguale al volume del corpo immerso)
- g è l'accelerazione di gravità (\approx 9.81 \, \text{m/s}^2)
Condizioni di Galleggiamento
Un corpo galleggia se la spinta idrostatica è uguale al suo peso:
F_b = mg
Un corpo affonda se il peso è maggiore della spinta idrostatica:
mg > F_b
Un corpo è in equilibrio se la spinta idrostatica è uguale al suo peso:
mg = F_b
Esercizi
Esercizio 1: Calcolo della Spinta Idrostatica
Un cubo di legno con un lato di 0.5 \, \text{m} è completamente immerso in acqua. Calcola la spinta idrostatica che agisce sul cubo. Assumi che la densità dell'acqua sia \rho_f = 1000 \, \text{kg/m}^3.
Soluzione:
-
Calcola il volume del cubo:
V_s = l^3 = (0.5)^3 = 0.125 \, \text{m}^3
-
Calcola la spinta idrostatica:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g = 1000 \cdot 0.125 \cdot 9.81 \approx 1226.25 \, \text{N}
Esercizio 2: Condizioni di Galleggiamento
Un oggetto di massa 2 \, \text{kg} e volume 0.002 \, \text{m}^3 è immerso in acqua. Determina se l'oggetto galleggia o affonda. Assumi che la densità dell'acqua sia \rho_f = 1000 \, \text{kg/m}^3.
Soluzione:
-
Calcola il peso dell'oggetto:
mg = 2 \cdot 9.81 = 19.62 \, \text{N}
-
Calcola la spinta idrostatica:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g = 1000 \cdot 0.002 \cdot 9.81 = 19.62 \, \text{N}
-
Confronta il peso e la spinta:
mg = F_b \implies 19.62 \, \text{N} = 19.62 \, \text{N}
L'oggetto è in equilibrio e quindi galleggia.
Esercizio 3: Oggetto in Olio
Un oggetto di massa 2 \, \text{kg} e volume 0.002 \, \text{m}^3 è immerso in olio con densità 800 \, \text{kg/m}^3. Calcola la spinta idrostatica e determina se l'oggetto galleggia o affonda.
Soluzione:
-
Calcola il peso dell'oggetto:
mg = 2 \cdot 9.81 = 19.62 \, \text{N}
-
Calcola la spinta idrostatica:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g = 800 \cdot 0.002 \cdot 9.81 = 15.696 \, \text{N}
-
Confronta il peso e la spinta:
mg = 19.62 \, \text{N} > F_b = 15.696 \, \text{N}
L'oggetto affonda.
Esercizio 5: Calcolo della Densità di un Fluido
Un oggetto di massa 5 \, \text{kg} e volume 0.004 \, \text{m}^3 è immerso in un fluido e provoca una spinta idrostatica di 30 \, \text{N}. Calcola la densità del fluido.
Soluzione:
-
Calcola il peso dell'oggetto:
mg = 5 \cdot 9.81 = 49.05 \, \text{N}
-
La spinta idrostatica è data da:
F_b = 30 \, \text{N}
-
Poiché F_b < mg, l'oggetto affonda. Calcoliamo la densità del fluido:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g
Sostituendo i valori:
30 = \rho_f \cdot 0.004 \cdot 9.81
Risolvendo per \rho_f:
\rho_f = \frac{30}{0.004 \cdot 9.81} \approx 765.19 \, \text{kg/m}^3
English version
Exercises on Archimedes' Principle
Main Concepts
Definition
Archimedes' principle states that a body immersed in a fluid (liquid or gas) experiences an upward buoyancy force equal to the weight of the fluid displaced by the body. This force is called hydrostatic thrust.
Buoyancy Formula
The buoyancy F_b can be calculated with the following formula:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g
where:
- \rho_f is the density of the fluid
- V_s is the volume of the displaced fluid (which is equal to the volume of the immersed body)
- g is the acceleration of gravity (\approx 9.81 \, \text{m/s}^2)
Buoyancy Conditions
A body floats if the buoyancy is equal to its weight:
F_b = mg
A body sinks if the weight is greater than the buoyancy:
mg > F_b
A body is in equilibrium if the buoyancy is equal to its weight:
mg = F_b
Exercises
Exercise 1: Calculating the Buoyancy
A wooden cube with a side of 0.5 \, \text{m} is completely immersed in water. Calculate the hydrostatic force acting on the cube. Assume that the density of water is \rho_f = 1000 \, \text{kg/m}^3.
Solution:
- Calculate the volume of the cube:
V_s = l^3 = (0.5)^3 = 0.125 \, \text{m}^3
- Calculate the buoyancy:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g = 1000 \cdot 0.125 \cdot 9.81 \approx 1226.25 \, \text{N}
Exercise 2: Floating Conditions
An object of mass 2 \, \text{kg} and volume 0.002 \, \text{m}^3 is immersed in water. Determine whether the object floats or sinks. Assume that the density of water is \rho_f = 1000 \, \text{kg/m}^3.
Solution:
- Calculate the weight of the object:
mg = 2 \cdot 9.81 = 19.62 \, \text{N}
- Calculate the buoyancy:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g = 1000 \cdot 0.002 \cdot 9.81 = 19.62 \, \text{N}
- Compare the weight and buoyancy:
mg = F_b \implies 19.62 \, \text{N} = 19.62 \, \text{N}
The object is in equilibrium and therefore floats.
Exercise 3: Object in Oil
An object of mass 2 \, \text{kg} and volume 0.002 \, \text{m}^3 is immersed in oil with density 800 \, \text{kg/m}^3. Calculate the buoyancy and determine whether the object floats or sinks.
Solution:
- Calculate the weight of the object:
mg = 2 \cdot 9.81 = 19.62 \, \text{N}
- Calculate the buoyancy force:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g = 800 \cdot 0.002 \cdot 9.81 = 15.696 \, \text{N}
- Compare the weight and the buoyancy force:
mg = 19.62 \, \text{N} > F_b = 15.696 \, \text{N}
The object sinks.
Exercise 5: Calculating the Density of a Fluid
An object of mass 5 \, \text{kg} and volume 0.004 \, \text{m}^3 is immersed in a fluid and causes a buoyancy force of 30 \, \text{N}. Calculate the density of the fluid.
Solution:
- Calculate the weight of the object:
mg = 5 \cdot 9.81 = 49.05 \, \text{N}
- The buoyancy force is given by:
F_b = 30 \, \text{N}
- Since F_b < mg, the object sinks. Let's calculate the density of the fluid:
F_b = \rho_f \cdot V_s \cdot g
Substituting the values:
30 = \rho_f \cdot 0.004 \cdot 9.81
Solving for \rho_f:
\rho_f = \frac{30}{0.004 \cdot 9.81} \approx 765.19 \, \text{kg/m}^3
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