Siła wyporu działa pionowo ku górze, przeciwnie do siły ciężkości. Jej wartość wyznacza wzór Fᵥ = ρ · g · V, w którym uwzględnia się gęstość wypartego płynu, przyspieszenie grawitacyjne i objętość zanurzonej części ciała.
Jak obliczyć siłę wyporu?
Podstawą obliczeń jest wzór na siłę wyporu: Fᵥ = ρ · g · V. Symbol ρ oznacza gęstość wypartego płynu, g — przyspieszenie grawitacyjne, a V — objętość wypartego płynu, czyli objętość zanurzonej części ciała. Zależność tę podaje materiał „Z fizyką i techniką” z 2015 roku.
Wynik otrzymujemy w niutonach, gdy gęstość wyrażamy w kg/m³, przyspieszenie w N/kg, a objętość w m³. Kolejność rozwiązania jest praktyczna: najpierw zamień objętość na metry sześcienne, następnie odczytaj gęstość z tablic, przyjmij właściwe g, a na końcu podstaw dane do wzoru. Przy wodzie w obliczeniach szkolnych stosuje się ρ = 1000 kg/m³, natomiast w przykładowych rachunkach dydaktycznych przyjęto g = 10 N/kg.
Przykład dla 1 dm³ wody wymaga zamiany tej objętości na 0,001 m³. Po podstawieniu otrzymujemy: 1000 kg/m³ · 10 N/kg · 0,001 m³ = 10 N. Takie przekształcenia należą do podstaw, które porządkuje fizyka szkolna, zwłaszcza gdy trzeba pilnować jednostek i kolejności działań.
Więcej na ten temat: prawo Archimedesa
W którą stronę działa siła wyporu?
Siła wyporu jest skierowana pionowo w górę. Jej zwrot jest przeciwny do zwrotu siły ciężkości, która działa pionowo w dół. Siła wyporu jest wypadkową sił parcia cieczy i ma zwrot ku górze; boczne siły parcia równoważą się. Zasada została opisana w materiale Zintegrowanej Platformy Edukacyjnej „Prawo Archimedesa i warunki pływania ciał” z 2026 roku.
Na boki ciecz również naciska na ciało, ale boczne siły parcia równoważą się. Dlatego przy wyznaczaniu wypadkowej nie dodaje się osobnej poziomej składowej. W zadaniu warto więc narysować siłę ciężkości w dół i siłę wyporu w górę, a potem sprawdzić, czy pytanie dotyczy kierunku, wartości czy równowagi.
Jak dobrać objętość do wzoru?
Najczęstszy błąd polega na wpisaniu do wzoru objętości całego ciała, gdy zanurzona jest tylko jego część. Wartość V oznacza objętość wypartej cieczy lub gazu, a więc objętość tej części ciała, która znajduje się pod powierzchnią. Taką interpretację wzoru podaje „Z fizyką i techniką” z 2015 roku.
Jeżeli ciało jest całkowicie zanurzone, do obliczeń przyjmujesz objętość całego ciała. Jeżeli zanurzenie jest częściowe, używasz wyłącznie objętości części zanurzonej.
W praktyce pomocny bywa wzór na gęstość, gdy trzeba wyznaczyć brakującą masę, objętość albo gęstość ciała przed rozpoczęciem obliczeń wyporu. Nie wolno jednak zastępować nim wzoru Fᵥ = ρ · g · V: w tym drugim wzorze potrzebna jest gęstość płynu oraz objętość wypartego płynu.
| Objętość wypartej wody | Gęstość wody | g | Siła wyporu |
|---|---|---|---|
| 0,0000273 m³ | 1000 kg/m³ | 10 N/kg | 0,273 N |
| 0,0002 m³ | 1000 kg/m³ | 10 N/kg | 2 N |
| 0,001 m³ | 1000 kg/m³ | 10 N/kg | 10 N |
Obliczenia wykonano ze wzoru Fᵥ = ρ · g · V; przyjęto g = 10 N/kg oraz ρ = 1000 kg/m³. Wartość V oznacza objętość wypartej wody, a przy całkowitym zanurzeniu — objętość ciała.
Czy siła wyporu zależy od masy ciała?
Bezpośrednio wzór Fᵥ = ρ · g · V nie zawiera masy ciała. O wartości wyporu decydują w nim gęstość płynu, przyspieszenie grawitacyjne i objętość wypartego płynu. Takie rozróżnienie podkreśla „Informator o egzaminie maturalnym z fizyki” Centralnej Komisji Egzaminacyjnej z 2013 roku.
Dla ciała pływającego zachodzi jednak równowaga: siła wyporu ma wartość równą ciężarowi ciała, czyli Fᵥ = m · g. Nie oznacza to, że masę należy zawsze wpisywać do podstawowego wzoru. Masa pozwala wyznaczyć wypór wtedy, gdy wiadomo, że ciało pływa i pozostaje w równowadze.
Ta zależność wyjaśnia także zachowanie ciała w cieczach o różnej gęstości. Według CKE z 2013 roku w cieczy o większej gęstości do uzyskania tej samej siły wyporu potrzebna jest mniejsza objętość zanurzonej części. Dlatego masa nie jest samodzielną odpowiedzią na pytanie o wypór: trzeba jeszcze wiedzieć, czy ciało pływa oraz w jakim płynie się znajduje.
Jak wykorzystać pomiar dydaktyczny?
W doświadczeniu można zmierzyć masę i wymiary ciała, obliczyć jego objętość, odczytać gęstość wody ρ = 1000 kg/m³, a następnie porównać ciężar z możliwą siłą wyporu. Przykład opisany w odpowiedziach ZPE z 2014 roku obejmuje kostkę o masie m = 24,7 g i objętości V = 27,3 cm³. Po przeliczeniu objętości otrzymuje się 0,0000273 m³, a wypór wynosi 0,273 N.
Wynik można sprawdzić przez podstawienie: 1000 kg/m³ · 10 N/kg · 0,0000273 m³ = 0,273 N. Taki test pozwala wykryć pomyłkę w jednostkach albo użycie objętości całego ciała zamiast części zanurzonej. Jeżeli zadanie wymaga wskazania punktu przyłożenia, sam rachunek nie wystarcza — trzeba uwzględnić oznaczenia na schemacie lub informacje podane w treści.
Doświadczenia wykonuj zgodnie z instrukcją nauczyciela, szczególnie przy pracy ze szkłem, wodą i obciążnikami; materiał ma charakter szkolny i nie zastępuje instrukcji BHP dla pracowni.
Czytaj również: praca moc energia.
Najczęstsze pytania
Jak obliczyć siłę wyporu?
Pomnóż gęstość płynu przez przyspieszenie grawitacyjne i objętość wypartego płynu: Fᵥ = ρ · g · V. Dla 1 dm³ wody: 1000 kg/m³ · 10 N/kg · 0,001 m³ = 10 N.
W którą stronę działa siła wyporu?
Pionowo ku górze. Jej zwrot jest przeciwny do zwrotu siły ciężkości.
Czy siła wyporu zależy od masy ciała?
Nie bezpośrednio. Dla zanurzonego ciała zależy od gęstości płynu, g i objętości wypartego płynu. Jeśli ciało pływa, wtedy siła wyporu ma wartość równą ciężarowi ciała, czyli m · g.
Źródła
- Informator o egzaminie maturalnym z fizyki — przykładowe zadania — Centralna Komisja Egzaminacyjna, 2013, PDF, s. 32–35
- Wyznaczanie gęstości materii — tablice gęstości — Zintegrowana Platforma Edukacyjna, 2026, materiał dydaktyczny
- Odpowiedzi uczniów — doświadczenie z kostką lodu — Zintegrowana Platforma Edukacyjna, 2014, PDF, s. 33–36
- Prawo Archimedesa i warunki pływania ciał — Zintegrowana Platforma Edukacyjna, 2026, materiał dydaktyczny
- 6.1. Ciśnienie i hydrostatyka — Multimedialny podręcznik fizyki — Politechnika Warszawska, 2026, rozdział 6.1
Tekst został utworzony przy pomocy sztucznej inteligencji (modeli językowych).
Czy ten poradnik był pomocny? Oceń go:
Ten artykuł nie ma jeszcze ocen.
