Сила выталкивания. Выталкивающая сила

Несмотря на явные различия свойств жидкостей и газов, во многих случаях их поведение определяется одними и теми же параметрами и уравнениями, что позволяет использовать единый подход к изучению свойств этих веществ.

В механике газы и жидкости рассматривают как сплошные среды. Предполагается, что молекулы вещества распределены непрерывно в занимаемой ими части пространства. При этом плотность газа значительно зависит от давления, в то время как для жидкости ситуация иная. Обычно при решении задач этим фактом пренебрегают, используя обобщенное понятие несжимаемой жидкости, плотность которой равномерна и постоянна.

Определение 1

Давление определяется как нормальная сила $F$, действующая со стороны жидкости на единицу площади $S$.

$ρ = \frac{\Delta P}{\Delta S}$.

Замечание 1

Давление измеряется в паскалях. Один Па равен силе в 1 Н, действующей на единицу площади 1 кв. м.

В состояние равновесия давление жидкости или газа описывается законом Паскаля, согласно которому давление на поверхность жидкости, производимое внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.

При механическом равновесии, давление жидкости по горизонтали всегда одинаково; следовательно, свободная поверхность статичной жидкости всегда горизонтальна (кроме случаев соприкосновения со стенками сосуда). Если принять во внимание условие несжимаемости жидкости, то плотность рассматриваемой среды не зависит от давления.

Представим некоторый объем жидкости, ограниченный вертикальным цилиндром. Поперечное сечение столба жидкости обозначим $S$, его высоту $h$, плотность жидкости $ρ$, вес $P=ρgSh$. Тогда справедливо следующее:

$p = \frac{P}{S} = \frac{ρgSh}{S} = ρgh$,

где $p$ - давление на дно сосуда.

Отсюда следует, что давление меняется линейно, в зависимости от высоты. При этом $ρgh$ - гидростатическое давление, изменением которого и объясняется возникновение силы Архимеда.

Формулировка закона Архимеда

Закон Архимеда, один из основных законов гидростатики и аэростатики, гласит: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая или подъемная сила, равная весу объема жидкости или газа, вытесненного частью тела, погруженной в жидкость или газ.

Замечание 2

Возникновение Архимедовой силы связано с тем, что среда - жидкость или газ - стремится занять пространство, отнятое погруженным в нее телом; при этом тело выталкивается из среды.

Отсюда и второе название для этого явление - выталкивающая или гидростатическая подъемная сила.

Выталкивающая сила не зависит от формы тела, также как и от состава тела и прочих его характеристик.

Возникновение Архимедовой силы обусловлено разностью давления среды на разных глубинах. Например, давление на нижние слои воды всегда больше, чем на верхние слои.

Проявление силы Архимеда возможно лишь при наличии тяжести. Так, например, на Луне выталкивающая сила будет в шесть раз меньше, чем на Земле для тел равных объемов.

Возникновение Силы Архимеда

Представим себе любую жидкую среду, например, обычную воду. Мысленно выделим произвольный объем воды замкнутой поверхностью $S$. Поскольку вся жидкость по условию находится в механическом равновесии, выделенный нами объем также статичен. Это означает, что равнодействующая и момент внешних сил, воздействующих на этот ограниченный объем, принимают нулевые значения. Внешние силы в данном случае - вес ограниченного объема воды и давление окружающей жидкости на внешнюю поверхность $S$. При этом получается, что равнодействующая $F$ сил гидростатического давления, испытываемого поверхностью $S$, равна весу того объема жидкости, который был ограничен поверхностью $S$. Для того чтобы полный момент внешних сил обратился в нуль, равнодействующая $F$ должна быть направлена вверх и проходить через центр масс выделенного объема жидкости.

Теперь обозначим, что вместо этой условного ограниченной жидкости в среду было помещено любое твердое тело соответствующего объема. Если соблюдается условие механического равновесия, то со стороны окружающей среды никаких изменений не произойдет, в том числе останется прежним давление, действующее на поверхность $S$. Таким образом мы можем дать более точную формулировку закона Архимеда:

Замечание 3

Если тело, погруженное в жидкость, находится в механическом равновесии, то со стороны окружающей его среды на него действует выталкивающая сила гидростатического давления, численно равная весу среды в объеме, вытесненным телом.

Выталкивающая сила направлена вверх и проходит через центр масс тела. Итак, согласно закону Архимеда для выталкивающей силы выполняется:

$F_A = ρgV$, где:

• $V_A$ - выталкивающая сила, H;
• $ρ$ - плотность жидкости или газа, $кг/м^3$;
• $V$ - объем тела, погруженного в среду, $м^3$;
• $g$ - ускорение свободного падения, $м/с^2$.

Выталкивающая сила, действующая на тело, противоположна по направлению силе тяжести, поэтому поведение погруженного тела в среде зависит от соотношения модулей силы тяжести $F_T$ и Архимедовой силы $F_A$. Здесь возможны три случая:

1. $F_T$ > $F_A$. Сила тяжести превышает выталкивающую силу, следовательно, тело тонет/падает;
2. $F_T$ = $F_A$. Сила тяжести уравнивается с выталкивающей силой, поэтому тело "зависает" в жидкости;
3. $F_T$

Казалось бы, нет ничего проще, чем закон Архимеда. Но когда-то сам Архимед здорово поломал голову над его открытием. Как это было?

С открытием основного закона гидростатики связана интересная история.

Интересные факты и легенды из жизни и смерти Архимеда

Помимо такого гигантского прорыва, как открытие собственно закона Архимеда, ученый имеет еще целый список заслуг и достижений. Вообще, он был гением, трудившимся в областях механики, астрономии, математики. Им написаны такие труды, как трактат "о плавающих телах", "о шаре и цилиндре", "о спиралях", "о коноидах и сфероидах" и даже "о песчинках". В последнем труде была предпринята попытка измерить количество песчинок, необходимых для того, чтобы заполнить Вселенную.

Роль Архимеда в осаде Сиракуз

В 212 году до нашей эры Сиракузы были осаждены римлянами. 75-летний Архимед сконструировал мощные катапульты и легкие метательные машины ближнего действия, а также так называемые "когти Архимеда". С их помощью можно было буквально переворачивать вражеские корабли. Столкнувшись со столь мощным и технологичным сопротивлением, римляне не смогли взять город штурмом и вынуждены были начать осаду. По другой легенде Архимед при помощи зеркал сумел поджечь римский флот, фокусируя солнечные лучи на кораблях. Правдивость данной легенды представляется сомнительной, т.к. ни у одного из историков того времени упоминаний об этом нет.

Смерть Архимеда

Согласно многим свидетельствам, Архимед был убит римлянами, когда те все-таки взяли Сиракузы. Вот одна из возможных версий гибели великого инженера.

На крыльце своего дома ученый размышлял над схемами, которые чертил рукой прямо на песке. Проходящий мимо солдат наступил на рисунок, а Архимед, погруженный в раздумья, закричал: "Прочь от моих чертежей". В ответ на это спешивший куда-то солдат просто пронзил старика мечом.

Ну а теперь о наболевшем: о законе и силе Архимеда...

Как был открыт закон Архимеда и происхождение знаменитой "Эврика!"

Античность. Третий век до нашей эры. Сицилия, на которой еще и подавно нет мафии, но есть древние греки.

Изобретатель, инженер и ученый-теоретик из Сиракуз (греческая колония на Сицилии) Архимед служил у царя Гиерона второго. Однажды ювелиры изготовили для царя золотую корону. Царь, как человек подозрительный, вызвал ученого к себе и поручил узнать, не содержит ли корона примесей серебра. Тут нужно сказать, что в то далекое время никто не решал подобных вопросов и случай был беспрецедентным.

Архимед долго размышлял, ничего не придумал и однажды решил сходить в баню. Там, садясь в тазик с водой, ученый и нашел решение вопроса. Архимед обратил внимание на совершенно очевидную вещь: тело, погружаясь в воду, вытесняет объем воды, равный собственному объему тела. Именно тогда, даже не потрудившийся одеться, Архимед выскочил из бани и кричал свое знаменитое "эврика", что означает "нашел". Явившись к царю, Архимед попросил выдать ему слитки серебра и золота, равные по массе короне. Измеряя и сравнивая объем воды, вытясняемой короной и слитками, Архимед обнаружил, что корона изготовлена не из чистого золота, а имеет примеси серебра. Это и есть история открытия закона Архимеда.

Суть закона Архимеда

Если Вы спрашиваете себя, как понять закон Архимеда, мы ответим. Просто сесть, подумать, и понимание придет. Собственно, этот закон гласит:

На тело, погруженное в газ или жидкость действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (газа) в объеме погруженной части тела. Эта сила называется силой Архимеда.

Как видим, сила Архимеда действует не только на тела, погруженные в воду, но и на тела в атмосфере. Сила, которая заставляет воздушный шар подниматься вверх - та же сила Архимеда. Высчитывается Архимедова сила по формуле:

Здесь первый член - плотность жидкости (газа), второй - ускорение свободного падения, третий - объем тела. Если сила тяжести равна силе Архимеда, тело плавает, если больше - тонет, а если меньше - всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

В данной статье мы рассмотрели закон Архимеда для чайников. Если Вы хотите узнать, как как решать задачи, где есть закон Архимеда, обращайтесь к . Лучшие авторы с удовольствием поделятся знаниями и разложат решение самой сложной задачи "по полочкам".

Ширинкин Виктор

Закон Архимеда очень хорошо известен всем, кто посещал школу. Но на первый взгляд такой простой и понятный закон имеет свои " тайны", При изучении законов не может быть мелочей и выяснение границ применимости - тоже очень важно. Эти знания помогут понять, где и как можно применять тот или иной закон, расширят кругозор.

Выполняя данную работу можно сделать следующие выводы:

1. Применение закона Архимеда ограничено к случаю плавания тел в малых объёмах жидкости.

2. Закон Архимеда не распространяется на тела, находящиеся в состоянии невесомости.

3.При ускоренном движении тела, находящегося в жидкости или газе, расчёт силы Архимеда затруднён.

Скачать

Предварительный просмотр

МОУ Краснореченская ООШ

Исследование границ применимости закона Архимеда

Выполнил: ученик 8 класса

Ширинкин Виктор

Руководитель: учитель физики

Санин Ю.В.

1.Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2. Погрешности узкого сосуда. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4-6

3. "Прилипание" к дну и стенкам. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....6-7

4. Закон Архимеда в невесомости. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 7-8

5. Ускорение и сила Архимеда. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-9

6. Выводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . 9

7. Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . 10

1 . Введение

В школе изучается много различных законов. Большинство из них имеют те или иные границы применимости. Знания о границах применимости позволяют безошибочно применять законы в различных ситуациях. Проводя некоторые опыты и получая не совпадающие с теорией результаты, возникла идея о выяснении условий, при которых закон гидростатики не выполняется. Чтобы тщательно изучить этот вопрос, необходимо было найти и обработать большое количество информации, провести ряд опытов. Вся эта работа- внесение своего вклада в науку. Возможно, данный материал не имеет практической значимости, но работать над этим материалом было очень интересно.

2. Чтобы детально разобраться в вопросе о границах применимости закона Архимеда, нужно начать с рассмотрения необходимой, возможно знакомой всем, информации.

Закон Архимеда впервые был упомянут им в трактате "О плавающих телах". Архимед писал: " тела более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут опускаться пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела".

Этот закон, едва ли не первый физический закон, с которым мы знакомимся в школе. Он справедлив не только для жидкостей, но и для газов. Сила, выталкивающая погруженное тело, называется архимедовой, или гидростатической, подъемной силой. Появляется она потому, что верхняя и нижняя поверхности тела находятся на разной глубине и, следовательно, испытывают разные силы давления со стороны выше лежащих слоев газа или жидкости.

Воздух сжимаем, у поверхности Земли его плотность заметно выше, чем на высоте нескольких километров. Поэтому воздушный шар, увлекаемый вверх архимедовой силой, остановится, дойдя до некоторой высоты, на которой вес вытесненного воздуха станет равным весу шара. Вода практически несжимаема, поэтому в ней такой картины наблюдать нельзя: если тело начало тонуть, то оно опустится до самого дна.

Всё кажется простым и знакомым. Но всё ли так просто, как кажется? Чтобы ответить на этот вопрос, попробуем объяснить результаты одного эксперимента.

Эксперимент. Оборудование: широкий сосуд (таз), песок, два сосуда, вода.

Ход выполнения: 1 . Наполним широкий сосуд водой на ¾ объема.

Два других сосуда необходимо подобрать таких размеров, чтобы один входил в другой с небольшим зазором. Для наглядности эксперимента можно взять градуированную стеклянную банку и цилиндрическую мензурку, но можно использовать и два любых сосуда, для которых выполняются те же условия (небольшой зазор).

2 . В меньший сосуд (банку) насыплем такое количество песка, чтобы она держалась на плаву в широком сосуде с водой.

3 .Отметим на стенке мензурки глубину её погружения.

4 .Определим примерное значение веса банки с песком.

Если в эксперименте используется сосуд с делениями, то объём вытесненной воды можно примерно принять равным величине деления на сосуде, до которого произошло погружение. (В др.случае можно воспользоваться измерительным цилиндром и отливным сосудом для определения объёма вытесненной жидкости.)

Поскольку банка находится в состоянии равновесия, плавает, то, значит, ее вес скомпенсирован выталкивающей силой, равной весу вытесненной жидкости. По количеству вытесненной воды можно определить вес банки с песком. (Примерное значение.)

5 . Наполним цилиндрическую мензурку водой так, чтобы её вес был в 1,5-2 раза меньше веса банки с песком и опустим в неё банку с песком. Будет ли плавать эта банка с песком в сосуде (мензурке) немного большего диаметра, в который налито воды меньше, чем необходимо для плавания тела по закону Архимеда? (снимок I)

Естественно предположить, что выталкивающей силы уже не хватит на то, чтобы скомпенсировать вес банки и что банка с песком просто встанет на дно. Чтобы выяснить это, продолжим эксперимент.

7. Наблюдая за банкой убеждаемся в том, что банка, как и в опыте с широким сосудом плавает, погрузившись до того же, деления, что и при плавании в широком сосуде.

Это неожиданный результат. В чем же здесь дело? Почему она плавает?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно вспомнить другой закон гидростатики, открытый в XVII веке французским ученым Б. Паскалем и носящий его имя: "Давление, создаваемое внешними силами, передаетcя без изменения в каждую точку жидкости". В жидкости, находящейся под действием только одной силы тяжести, давление одинаково во всех точках любой горизонтальной плоскости. Эти плоскости называются поверхностями уровня или поверхностями равного давления. Пример такой плоскости - горизонтальная поверхность уровня в сообщающихся сосудах, например, в чайнике и его носке. Давление на любом уровне зависит только от высоты столба жидкости над ним и не зависит от ее массы. Поэтому общая сила F, которая давит на дно сосуда (она равна произведению давления Р на площадь дна S), может быть и больше и меньше веса воды, налитой в сосуд (см, рисунок), в зависимости от формы сосуда. Это на первый взгляд странное явление, открытое Б. Паскалем, получило название "гидростатический парадокс". Оно наводит на мысль, что в сосуде определённой формы можно получить огромные силы давления очень малым количеством жидкости. Сам Паскаль демонстрировал это с помощью бочки с водой и присоединённой к ней тонкой вертикальной трубки, длиной несколько метров. Когда в трубку влили пару кружек воды, наполнив ее доверху, бочка лопнула под действием силы давления F, равной весу столба воды высотой в несколько метров

(давление Р) и диаметром с бочку (площадь S)! Давление в жидкости передается во все стороны одинаково, поэтому струи воды из щелей хлынули во все стороны практически с равной силой,

Гидростатический парадокс приводит к разгадке "неправильного" поведения банки с песком в опыте с "узким" сосудом. Тонкий слой воды, оставшийся между стенками сосудов (банки с песком и мензурки), оказывает такое же давление на дно банки с песком, что и столб воды той же высоты в сосуде большого объема. Именно это давление и заставляет банку плавать.

Следовательно, чем уже зазор между стенками, тем меньшее количество воды вытеснит плавающее тело , тем сильнее нарушается закон Архимеда. Если бы не силы поверхностного натяжения, которые могут играть заметную роль при очень узком зазоре, любое тело можно было бы заставить плавать, в любом, сколь угодно малом количестве воды. Кажется непонятным, что о столь заметном нарушении закона Архимеда не упоминается ни в одном из многочисленных учебников и справочников по физике. Ведь это явление следовало бы, наверное, учитывать при гидростатическом взвешивании, когда определяют вес тела , погруженного в жидкость, при работе с ареометром, которым измеряют плотность жидкости и в других случаях.

Возникает вопрос о поправках к закону Архимеда, о границах его применимости. Но при более детальном рассмотрении этого вопроса становится ясно, что на самом деле эти поправки не нужны.

Если в опыте с "узким" сосудом мензурку наполнить водой до краев и опустить в него банку с песком, то собранной вылившейся воды будет столько, сколько и должно было быть вытеснено по закону Архимеда.

Учитывая это можно прийти к общепризнанному выводу о том, что закон Архимеда - частный случай закона Паскаля, справедливый только для больших объемов жидкости. Поэтому определение выталкивающей силы (равна весу вытесненной жидкости), которое дал Архимед, не подходит к случаю плавания тел в малых объёмах жидкости. Следовательно, в случае с малыми объёмами жидкости, применение закона Архимеда ограничено.

3 .Интересно, что сила Архимеда равна нулю, когда погруженное в жидкость тело плотно, всем одной из сторон прижато ко дну или стенке сосуда.

При рассмотрении закона Архимеда мы считали, что тело полностью погружено в жидкость и вся его поверхность соприкасается с жидкостью. Если же часть поверхности тела плотно прилегает к стенке или дну сосуда, так, что между ними нет прослойки жидкости, то закон Архимеда неприменим. Яркой иллюстрацией сказанного служит опыт, когда ровную нижнюю поверхность деревянного кубика натирают парафином и плотно приставляют ко дну сосуда. Затем осторожно наливают воду. Брусок не всплывает, так как со стороны воды на него действует сила, не выталкивающая его вверх, а прижимающая ко дну (рис.)

Это явление учитывается при подъёме затонувших кораблей. Прежде чем приступить к подъёму, затонувшее судно вначале "отрывают" от дна и только затем приступают непосредственно к подъёму.

4 . Тело, погруженное в жидкость, вытеснит часть этой жидкости. На нее, со стороны окружающей жидкости будет действовать такая же выталкивающая сила, как и на погруженное тело. По третьему закону Ньютона выделенная в объеме тела жидкость будет действовать на окружающую жидкость с той же самой по модулю, но противоположно направленной силой. Это - вес вытесненного объема жидкости. Вспомним, что весом тела, неподвижного в некоторой системе отсчета, называется сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на подставку или подвес. В нашем случае роль подставки для выделенного объема жидкости играет окружающая жидкость.

Итак, выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна по модулю и противоположна по направлению весу вытесненной жидкости. Это и есть закон Архимеда. Заметим, что в формулировке закона говорится именно о весе вытесненной жидкости, а не о силе тяжести. И это весьма существенно, так как вес тела (по модулю) не всегда совпадает с силой тяжести. Например, ящик массой m в кабине поднимающегося с ускорением а лифта давит на пол с силой m(g + a). Это значит, что вес ящика равен Р = m(g + a), в то время как сила тяжести, действующая на ящик, равна mg. Когда же кабина лифта опускается с тем же ускорением, вес ящика оказывается равным Р = m(g - a).

Из последнего выражения ясно, что выталкивающая сила появляется тогда, когда нет состояния невесомости, то есть любое тело (в том числе и жидкость) имеет вес. Если сосуд с жидкостью свободно падает, то жидкость находится в состоянии невесомости и на погруженное в нее тело сила Архимеда не действует. Не действует эта сила и в космическом корабле, движущемся с выключенными двигателями. Подтверждением этого служит отсутствие в невесомости явления естественной конвекции, поэтому, например, воздушное охлаждение и вентиляция жилых отсеков космических аппаратов производятся принудительно, вентиляторами.

В земных условиях убедиться в том, что закон Архимеда в невесомости не действует, можно с помощью опыта с "картезианским водолазом". Нажмите на корпус бутылки так, чтобы водолаз опустился на дно. Затем "поместите его в невесомость": подбросив (или уронив) бутылку, не изменяя её вертикального положения. Следите за поведением водолаза во время свободного полёта: всплывёт он или нет. В эти краткие мгновения на бутылку действует только сила тяжести (силой сопротивления воздуха можно пренебречь) и её содержимое находится в невесомости. Для получения более точных данных нужно повторить опыт несколько раз и можно самостоятельно сделать вывод о действии закона Архимеда в невесомости.

5 . Рассмотрим ситуацию, в которой сила Архимеда девствует на тело, движущееся с ускорением внутри жидкости. Будет ли в этом случае выполняться закон Архимеда? Представим себе легкое тело, привязанное ниткой к дну сосуда, заполненного жидкостью (рис. 3). Тело погружено в жидкость и находится в равновесии. На него действуют вниз сила тяжести mg= ρ Vg и сила натяжения нити T, а вверх - сила гидростатического давления F=F Арх = -ρVg, (*)

где ρ т - плотность тела, ρ - плотность жидкости. Условие равновесия тела

-ρVg +T+ ρ т Vg =0. (1)

Пусть в некоторый момент нить обрывается (т. е. исчезает сила натяжения T), равенство (1) перестает выполняться, и тело начинает двигаться вверх (всплывать) с некоторым ускорением a, которое можно найти из уравнения движения

F+ ρ т V g = ρV a. (2)

Предположив, что в этом случае можно использовать закон Архимеда, подставим - -ρVg в левую часть равенства (2) вместо F. Для ускорения тела получаем выражение

a = - g (ρ- ρ т )/ ρ т (3)

Исследуем выражение (3). Ускорение тела направлено против ускорения свободного падения (что абсолютно верно), а его величина неограниченно возрастает при уменьшении плотности тела. Такой результат противоречит как здравому смыслу, так и наблюдениям.

Таким образом, закон Архимеда в форме (*) неприменим к телам, ускорение которых относительно жидкости отлично от нуля (даже при равной нулю скорости)

6 . Выводы:

В окружающем нас мире происходит огромное количество различных по своей природе явлений. Некоторые из них, даже при современном уровне развития науки, остаются загадками для человека. Много тайм хранит в себе бескрайняя вселенная и микромир. Но всё это многообразие явлений подчиняется вполне определённым законам, которые мы уже открыли и которые ещё предстоит открыть. Поэтому при изучении законов не может быть мелочей и выяснение границ применимости - тоже очень важно. Эти знания помогут понять, где и как можно применять тот или иной закон, расширят кругозор.

Выполняя данную работу можно сделать следующие выводы:

1. Применение закона Архимеда ограничено к случаю плавания тел в малых объёмах жидкости.

2. Закон Архимеда не распространяется на тела, находящиеся в состоянии невесомости.

3.При ускоренном движении тела, находящегося в жидкости или газе, расчёт силы Архимеда затруднён.

7 .Литература:

Учебно-методическое пособие. ИДУ Татьянкин Б.А. и др

Журнал "Наука и жизнь" №7 1983г.

elementy.ru›Энциклопедия›21067

Жидкостей и газов, согласно которому на всякое тело, пог-руженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости (газа) и направленная по вертикали вверх.

Этот закон был открыт древнегреческим ученым Архимедом в III в. до н. э. Свои исследования Архимед описал в трактате "О плавающих телах", который считается одним из последних его научных трудов.

Ниже приведены выводы, следующие из закона Архимеда .

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело.

Если погрузить в воду мячик, наполненный воздухом, и отпустить его, то он всплывет. То же самое произойдет со щепкой, с пробкой и многими другими телами. Какая же сила заставляет их всплывать?

На тело, погруженное в воду, со всех сторон действуют силы давления воды (рис. а ). В каж-дой точке тела эти силы направлены перпендикулярно его поверхности. Если бы все эти силы были одинаковы, тело испытывало бы лишь всестороннее сжатие. Но на разных глубинах гидростати-ческое давление различно: оно возрастает с увеличением глубины. Поэтому силы давления, приложенные к нижним участкам тела, оказываются больше сил давления, действующих иа тело сверху.

Если заменить все силы давления , приложенные к погруженному в воду телу, одной (резуль-тирующей или равнодействующей) силой, оказывающей на тело то же самое действие, что и все эти отдельные силы вместе, то результирующая сила будет направлена вверх. Это и заставляет тело всплывать. Эта сила называется выталкивающей силой, или архимедовой силой (по имени Архимеда, который впервые указал на ее существование и установил, от чего она зависит). На рисунке б она обозначена как F A .

Архимедова (выталкивающая) сила действует на тело не только в воде, но и в любой другой жидкости, т. к. в любой жидкости существует гидростатическое давление, разное на разных глу-бинах. Эта сила действует и в газах, благодаря чему летают воздушные шары и дирижабли.

Благодаря выталкивающей силе вес любого тела, находящегося в воде (или в любой другой жидкости), оказывается меньше, чем в воздухе, а в воздухе меньше, чем в безвоздушном про-странстве. В этом легко убедиться, взвесив гирю с помощью учебного пружинного динамометра сначала в воздухе, а затем опустив ее в сосуд с водой.

Уменьшение веса происходит и при переносе тела из вакуума в воздух (или какой-либо другой газ).

Если вес тела в вакууме (например, в сосуде, из которого откачан воздух) равен P 0 , то его вес в воздухе равен:

,

где F´ A - архимедова сила, действующая на данное тело в воздухе. Для большинства тел эта сила ничтожно мала и ею можно пренебречь, т. е. можно считать, что P возд. =P 0 =mg .

Вес тела в жидкости уменьшается значительно сильнее, чем в воздухе. Если вес тела в воздухе P возд. =P 0 , то вес тела в жидкости равен P жидк = Р 0 - F A . Здесь F A - архимедова сила, действующая в жидкости. Отсюда следует, что

Поэтому чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в какой-либо жидкости, нужно это тело взвесить в воздухе и в жидкости. Разность полученных значений и будет архимедовой (выталкивающей) силой.

Другими словами, учитывая формулу (1.32), можно сказать:

Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом.

Определить архимедову силу можно также теоретически. Для этого предположим, что тело, погруженное в жидкость, состоит из той же жидкости, в которую оно погружено. Мы имеем пра-во это предположить, так как силы давления, действующие на тело, погруженное в жидкость, не зависят от вещества, из которого оно сделано. Тогда приложенная к такому телу архимедова сила F A будет уравновешена действующей вниз силой тяжести m ж g (где m ж - масса жидкости в объеме данного тела):

Но сила тяжести равна весу вытесненной жидкости Р ж . Таким образом.

Учитывая, что масса жидкости равна произведению ее плотности ρ ж на объем, формулу (1.33) можно записать в виде:

где V ж - объем вытесненной жидкости. Этот объем равен объему той части тела, которая погру-жена в жидкость. Если тело погружено в жидкость целиком, то он совпадает с объемом V всего тела; если же тело погружено в жидкость частично, то объем V ж вытесненной жидкости меньше объема V тела (рис. 1.39).

Формула (1.33) справедлива и для архимедовой силы, действующей в газе. Только в этом слу-чае в нее следует подставлять плотность газа и объем вытесненного газа, а не жидкости.

С учетом вышеизложенного закон Архимеда можно сформулировать так:

На всякое тело, погруженное в покоящуюся жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная произведению плотности жидкости (или га-за), ускорения свободного падения и объема той части тела, которая погружена в жидкость (или газ).

Архимед - греческий механик, физик, математик, инженер. Родился в Сиракузах (Сицилия). Его отец Фидий был астрономом и математиком. Отец занимался воспитанием и образованием сына. От него Архимед унаследовал способности к математике, астрономии и механике. Архимед обучался в Александрии (Египет), которая в то время была культурным и научным центром. Там он познакомился с Эратосфеном - греческим математиком, астрономом, географом и поэтом, который стал наставником Архимеда и покровительствовал ему долгое время.

Архимед сочетал в себе таланты инженера-изобретателя и ученого-теоретика. Он стал основателем теоретической механики и гидростатики, разработал методы нахождения площадей поверхностей и объемов различных фигур и тел.

По легенде, Архимеду принадлежит множество удивительных технических изобретений, которые завоевали ему славу среди современников. Предполагают, что Архимед с помощью зеркал и отражения солнечных лучей смог поджечь римский флот, который осадил Александрию. Этот случай является наглядным примером отличного владения оптикой.

Архимеду также приписывают изобретение катапульты, военной метательной машины, конструирование планетария, в котором планеты двигались. Учёный создал винт для подъёма воды (Архимедов винт), который до сих пор используется и представляет собой водоподъемную машину, вал с винтовой поверхностью, находящийся в наклонной трубе, погруженной в воду. Во время вращения винтовая поверхность вала перемещает воду по трубе на разные высоты.

Архимед написал много научных трудов: "О спиралях", "О коноидах и сфероидах", "О шаре и цилиндре", "О рычагах", "О плавающих телах". А в трактате "О песчинках" он подсчитал количество песчинок в объёме земного шара.

Свой знаменитый закон Архимед открыл при интересных обстоятельствах. Царь Гиреон II, которому служил Архимед, хотел узнать, не подмешивали ли ювелиры серебро к золоту, когда изготавливали корону. Для этого необходимо определить не только массу, но объём короны, чтобы рассчитать плотность металла. Определить объём изделия неправильной формы - непростая задача, над которой Архимед долго размышлял.

Решение пришло Архимеду в голову, когда он погрузился в ванну: уровень воды в ванне поднялся после того, как тело учёного было опущено в воду. То есть объем его тела вытеснил равный ему объем воды. С криком "Эврика!" Архимед побежал во дворец, даже не потрудившись одеться. Он опустил корону в воду и определил объем вытесненной жидкости. Задача была решена!

Таким образом, Архимед открыл принцип плавучести. Если твердое тело погрузить в жидкость, оно вытеснит объем жидкости, равный объему погруженной в жидкость части тела. Тело может плавать в воде, если его средняя плотность меньше плотности жидкости, в которую его поместили.

Закон Архимеда гласит: на всякое тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости или газа.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Материал из архива журнала Uleyrus. Цены, нормы и модели техники меняются: перед покупкой и работами сверяйтесь с инструкцией производителя и официальными источниками. Нашли ошибку - напишите на admin@uleyrus.cc.