Vztlak

Vztlak je fyzikálny jav spočívajúci v nadnášaní telesa v kvapaline alebo plyne v smere opačnom ako je gravitačná sila. Jav sa prejavuje vztlakovou silou, čo je sila nadnášajúca teleso v kvapaline.

Vzorec na výpočet vztlakovej sily

$F_{v}{}_{z}{}=V_{p}\cdot \rho _{k}\cdot g$

Kde sú:

$F_{v}{}_{z}{}$ = vztlaková sila

$V_{p}$ = objem ponorenej časti

$\rho _{k}$ = hustota kvapaliny

$g$ = gravitačné zrýchlenie

Delenie

• hydrostatický ako dôsledok rozdielu veľkosti hydrostatických tlakových síl v rôznych hĺbkach,
• dynamický ako dôsledok odporu prostredia (kvapaliny, plynu) pri pohybe telesa prostredím.

Hydrostatický vztlak

Hydrostatický vztlak vzniká ako dôsledok tiažovej sily, rozdielom hydrostatických tlakov na spodnej a hornej časti telesa - tlak na spodnej časti telesa je väčší, pretože spodná časť telesa je vo väčšej hĺbke. Vztlaková sila sa vyskytuje nie len v kvapalinách, kde sa označuje ako hydrostatická vztlaková sila, ale tiež v plynoch, kde sa nazýva aerostatická vztlaková sila (aerostatický vztlak).

Hydrostatický vztlak smeruje vždy proti smeru tiažovej sily, teda hore. Jeho veľkosť závisí na objeme ponorenej časti telesa a na hustote kvapaliny (samozrejme tiež na tiažovom zrýchlení). Nezávisí na hĺbke alebo celkovom objeme kvapaliny, ani na hustote alebo hmotnosti telesa.

Veľkosť vztlakovej sily teda závisí:

• priamo úmerne od hustoty kvapaliny
• priamo úmerne od objemu telesa

Definícia

Hydrostatický vztlak

Ak máme v kvapaline s hustotou $\rho$ tuhé teleso tvaru hranola s podstavou o obsahu $S$ a výškou $h$. Toto teleso je v kvapaline ponorené tak, že podstavy sú vodorovné. Na všetky steny tohoto tuhého telesa pôsobí kvapalina tlakovou silou. Sily, ktoré pôsobia na bočné steny, sú rovnako veľké, avšak opačného smeru. Pokiaľ neuvažujeme deformačný účinok týchto síl na tuhé teleso, tak môžeme povedať, že sa tieto sily vzájomne vyrušia.

Horná podstava sa nachádza v hĺbke $h^{\prime }$. Na túto podstavu pôsobí podľa tlaková sila $F^{\prime }=Sh^{\prime }\rho g$, ktorá smeruje dole. Spodná podstava sa nachádza v hĺbke $h^{\prime \prime }=h^{\prime }+h$. Tlaková sila, ktorá pôsobí na spodnú podstavu, je $F^{\prime \prime }=Sh^{\prime \prime }\rho g$ a smeruje zvislo hore.

Výsledná vztlaková sila je rozdielom sily pôsobiacej na spodnú podstavu a na hornú podstavu, tzn.

$F_{v}{}_{z}{}=F^{\prime \prime }-F^{\prime }=(h^{\prime \prime }-h^{\prime })\rho gS=hS\rho g$

Pre objem hranolu platí $V=Sh$. Dosadením do predchádzajúceho vzťahu dostaneme výraz pre hydrostatickú vztlakovú silu, ktorý platí nie len pre hranoly, ale pre teleso všeobecného tvaru.

$F_{v}{}_{z}{}=V_{p}\cdot \rho _{k}\cdot g$

kde $\rho _{k}$ označuje hustotu kvapaliny, $V_{p}$ je objem ponorenej časti telesa a $g$ je gravitačné zrýchlenie.

Čím väčšia hustota kvapaliny, tým väčšia vztlaková sila.

Použitie

Hydrostatický (aerostatický) vztlak umožňuje plavbu lode (rozdiel medzi vztlakovou silou a gravitačnou silou pôsobiaci na teleso popisuje plávanie) a lietanie. Lietadlá ľahšie ako vzduch (tzv. aerostaty), napr. balón, vzducholoď. Ryby (a ponorky) sú schopné pomocou vztlaku riadiť svoj pohyb pod vodou.

Hydrostatická vztlaková sila má dôležitú rolu pri odvodení Archimedovho zákona.

Dynamický vztlak

Dynamický vztlak vzniká vzájomným dynamickým pôsobením pri pohybe telesa v tekutine (plyne) v dôsledku odporu, ktorý kladie prostredie (tekutina – plyn resp. kvapalina) proti pohybu telesa.

Pri pohybe telesa (v typickom prípade krídla) sa na základe 3. Newtonovho zákona k sile, ktorou teleso pri pohybe pôsobí na okolitý vzduch, vytvára reakčná sila, ktorou okolitý vzduch pôsobí na teleso.

Využitie

Kvôli aerodynamickému vztlaku môžu lietať lietadlá ťažšie ako vzduch.