Плавучесть предметов: выталкивающая сила при погружении тела в жидкую или газовую среду

0

Явление при каком тело в силу действия выталкивающей силы, направленной вверх, не тонет при погружении в жидкости или газы — называют плавучестью. Выталкивающая мочь является при этом уравновешивающей силой, которая действует противоположно силе тяжести. Здесь стоит отметить, что в качестве окружения погружения может выступать не только жидкость, а также и газ, и даже металл!

Плавающие объекты на воде, под водой, в атмосфере: корабли, подводные лодки и воздушные шары совершают свое движение благодаря балансу сил тяжести и выталкивания. Традиционно мы попытаемся несложным языком без погружения в дремучие формулы объяснить природу плавучести предметов.

Плавучесть тел - Закон Архимеда

Закон архимеда и плавание тел

Любое тело на Земле упадает вниз под воздействием силы тяготения и возникшей соответствующей силы тяжести, направленной вниз. Но, наверняка, все мы замечали, что при погружении объекта в воду — он становится легче. Значит, при погружении предметов в жидкости начинает действовать некая другая сила выталкивающего нрава, направленная противоположно силе тяжести вверх.

[embedded content]

Выталкивающая сила, противодействующая силе тяготения, именуется архимедовой, в честь известного греческого ученого Архимеда, жившего в III веке до нашей эры. Согласно закона Архимеда, на любое тело, погруженное в жидкость, работает выталкивающая сила, величина которой эквивалентна весу тела.

Погружение тела в воду

Масса груши не переменяется при погружении в жидкость, но ее вес уменьшаеся на значение выталкивающей силы со стороны воды.

Уменьшение веса груши в при погружении в воду

Далее представим себе куб бетона, масса какого составляет 3000 кг или 3 тонны. Из начального курса физики мы получаем вес (масса куба умноженная на ускорение свободного падение h=9,8) бетонного куба. Топорно это величина массы умноженная на 10. Итак вес бетонного куба P = 30000Н (Ньютон). Так вот, при погружении в воду данного объема бетона выталкивается вода массой 1000 кг или 1 тонна.

Противодействующая весу бетонного куба выталкивающая мочь равна 10000Н. Именно на эту величину в конечном итоге уменьшается вес куба при полном погружении в воду. 30000Н-10000Н=20000Н. В этом и кроется тяни эффект уменьшения веса тема ощущаемой нами под водой. Как видим из нашего эксперимента, при погружении тело утеряло одну третью часть своего веса.

Природа выталкивающей силы

Тела погруженные в любую текучую окружение испытывают давление, направленное со всех сторон этой самой среды и величина которого увеличивается по мере погружения. Соответственно давление, какое оказывает среда на тело с неким перепадом высот, будет максимальным в нижней точки (плоскости) тела, а минимальным — в верхней. Курс сил давления на верхнюю плоскость и нижнюю соответственно противоположные.

Результирующая этих двух противоположных по направлению сил и является выталкивающей силою.

Возвращаясь к нашему бетонному кубу, погруженного, к примеру, на глубину 1 м, на него действует силы давления со стороны воды с шести сторонок. Посколько боковые стороны куба находятся на одинаковой глубине, то результирующих силы уравновешивает направленные друг к товарищу силы. Что же относительно сил давления на нижнюю и верхнюю плоскость? Здесь на верхнюю плоскость куба величина силы, устремлённая вниз, равна 10000Н, а на нижнюю плоскость направлена вверх сила величиной 20000Н. Выталкивающая сила равновелика разности сил действующих между нижней и верхней — 10000Н.

Почему тело плавает?

Плавающее тело, например корабль, выталкивает объем воды из того пространства, ровно которое оно занимает вместо воды. Вес выталкиваемого объема воды равновелик весу судна. Плавучесть тела объясняется давлением воды.

Многие из нас задаются вопросом почему одни и те же тела с равным объемом плавают, а другие нет, то есть тонут. Вышеупомянутый куб бетона в воде однозначно утонет, а вот куб древесины будет оставаться на плаву. Подавайте возьмем деревянный куб массой 500 кг. Его вес составляв 5000Н. Согласно закона Архимеда деревянный куб вытеснит такой же объем воды, как и куб бетона — 1 м3. Масса вытесненной воды останется также неизменной — 1000 кг или 1 тонна. Оказывается плавучесть деревянного куба обусловлена тем, что результирующая выталкивающая мочь больше чем вес древесины. Все просто, не так ли?

Процесс уменьшения веса корабля по мере погружения в воду

Но как на счет того, что плавающее тело, в частности наш деревянный куб, не полностью, а лишь частично погружен в воду? И воды при этом выталкивается на 1000 кг, а меньше. Этот эффект сообщает как раз о уравновешивании выталкивающей силы и веса тела. Под водой находится та часть тела, которая способна создать мочь выталкивания равной весу тела, находящегося над водой. Такой баланс сил и отвечает на вопрос почему тело плавает. Если приступить сверху добавлять вес к плавающему телу, то объем вытесняемой жидкости растет с его выталкивающей силой растет прямо гладко на величину добавляемого веса. Как результат можно наблюдать все большее погружение тела под воду.

Физика погружения и всплытия подводной лодки

Подводная лодка заключается из водонипроницаемого корпуса, под обшивкой которого расположены цистерны с балластом. При заполненных водой цистернах лодка погружается. Под водой ладья находися во взвешенном состоянии — она не тонет и не всплывает. Когда необходимо всплыть, в балластные цистерны закачивается воздух, какой вытесняет воду наружу.

Расшифровка уровней отметок погружения судна

Отметки на борту судна показывают, сколько груза оно способно принять для безопасного плавания. Степень погруженности корабли зависит, в частности, от плотности воды, в которой оно находится.

Зависимость плавучести от плотности тела

Итак, мы выяснили, что в подневольности от того будет ли выталкивающая сила больше или меньше веса тела, является свойство его плавучести.

Если выталкивающая мочь больше — тело плавает, если меньше — тонет.

Прямой связью того, будет ли тело плавать, является касательством плотности среды к плотности тела, погружаемого в эту самую среду (жидкую или газовую). Вспоминаем курс физики, — плотность тела имеется отношение его массы к объему. В наших экспериментах были использовались такие вещества с соответствующими плотностями: бетон — 3000 кг/м3, дерево — 500 кг/м3 и вода 1000 кг/и3. А как же корабли, какие в большей своей массе сделаны из металлов, плотность которых существенно превышает плотность воды?

Здесь стоит помнить, что металлическая доля кораблей это лишь его каркас с элементами усиления, а внутри все остается полым (воздухом).

И в результате в расчетную часть плотности входит этот самый объем атмосферы полой части. В итоге результирующая часть выталкивающей силы больше веса тела.

Ареометр — прибор для измерения плотности жидкости. Чем вяще плотность жидкости, тем больше выталкивающая сила, и тем выше всплывает корпус прибора.

Прибор для измерения плотности жидкости ариометр

Все вышеописанное касается не только некрепких сред, но и газовых. Возьмем всеми любимые воздушные шары. Они тоже плавают, но только в воздухе. Воздух нагретый горелкой внутри шара имеет меньшую плотность, чем опоясывающий воздух меньшей температуры. В результате воздушный шар отрывается от земли. Что жа на счет волшебства моментально взлетающих шаров, заполненных газом под названием гелий? Здесь опять же все дело в разности плотности газов гелия и воздуха. Плотность гелия меньше атмосферы, поэтому лини с легкостью взлетают на праздничные мероприятия в воздух.

Посетите магазины партнеров:

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован. Обязательные поля помечены *