Архимедова сила. Плавание тел

Научиться понимать и объяснять, почему тела плавают или тонут, и рассчитывать выталкивающую силу.

Знание архимедовой силы объясняет, как плавают корабли и подводные лодки, почему лёд не тонет в воде, как летают воздушные шары. Это помогает в инженерии, судостроении, авиации и даже в медицине (например, для понимания гидростатики в сосудах).

• На любое тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вверх.
• Архимедова сила равна весу жидкости (или газа) в объёме погружённой части тела.
• Если сила тяжести больше архимедовой силы, тело тонет; если равна — плавает внутри жидкости; если меньше — всплывает.
• Плавание тела зависит от соотношения плотностей тела и жидкости: если плотность тела меньше плотности жидкости, тело всплывает.
• Вес тела в жидкости меньше, чем в воздухе, на величину архимедовой силы.
• Закон Архимеда справедлив и для газов, что объясняет подъёмную силу воздушных шаров.
• Для плавания судов важна средняя плотность судна, которая меньше плотности воды благодаря воздушным полостям.

Архимедова сила

Сила, с которой жидкость или газ выталкивают погружённое в них тело. Она направлена вертикально вверх.

Выталкивающая сила

То же, что архимедова сила; возникает из-за разности давлений жидкости на нижнюю и верхнюю части тела.

Закон Архимеда

Выталкивающая сила равна весу жидкости (или газа) в объёме погружённой части тела.

Условие плавания тел

Тело плавает, если сила тяжести равна архимедовой силе; тонет, если сила тяжести больше; всплывает, если сила тяжести меньше.

Плотность

Физическая величина, показывающая, какая масса вещества содержится в единице объёма. Обозначается буквой ρ (ро).

Гидростатическое давление

Давление, которое создаёт жидкость на глубине; оно увеличивается с глубиной и зависит от плотности жидкости.

• Формула архимедовой силы: F_A = ρ_ж * g * V_погр, где ρ_ж — плотность жидкости, g ≈ 9,8 Н/кг, V_погр — объём погружённой части тела.
• Если ρ_тела < ρ_жидкости, тело всплывает; если ρ_тела = ρ_жидкости, тело плавает внутри жидкости; если ρ_тела > ρ_жидкости, тело тонет.
• Вес тела в жидкости: P_ж = P_возд - F_A.
• Архимедова сила не зависит от формы тела и глубины погружения (если жидкость однородна и тело полностью погружено).
• Закон Архимеда применим и к газам: например, воздушный шар поднимается, потому что архимедова сила от воздуха больше веса шара.
• Для судов используется понятие водоизмещения — веса воды, вытесняемой судном при полной загрузке.

1. Пример 1случай
   • Лёд плавает в воде, потому что его плотность (≈900 кг/м³) меньше плотности воды (≈1000 кг/м³)
2. Пример 2случай
   • Подводная лодка погружается, набирая воду в балластные цистерны, увеличивая свою среднюю плотность, и всплывает, вытесняя воду воздухом
3. Пример 3случай
   • Воздушный шар с гелием поднимается вверх, так как плотность гелия меньше плотности воздуха, и архимедова сила превышает вес шара
4. Пример 4случай
   • Рыба регулирует глубину погружения, изменяя объём плавательного пузыря, тем самым меняя выталкивающую силу

• Легенда гласит, что Архимед открыл свой закон, когда заметил, что вода выливается из ванны, и воскликнул «Эврика!».
• Железный гвоздь тонет в воде, но железный корабль плавает, потому что его средняя плотность меньше плотности воды из-за воздушных полостей.
• Мёртвое море настолько солёное, что в нём почти невозможно утонуть — плотность воды выше плотности тела человека.

• При проведении опытов с жидкостями соблюдай осторожность, не разливай воду и не допускай попадания жидкостей на электрические приборы.
• Не погружай руки в неизвестные жидкости без защитных перчаток.

• Давление жидкостей и газов
• Закон Паскаля
• Сообщающиеся сосуды
• Плотность вещества
• Сила тяжести и вес тела