1. При каком условии тело, находящееся в жидкости, тонет; плавает? всплывает?
1. Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, тонуть.
т.е. если Fтяж > FА то тело тонет;
2. Если сила тяжести равна архимедовой силы, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости,
т.е. если Fтяж = FA то тело плавает;
3. Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, всплывать.
2. Как показать на опыте, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом, равен весу тела в воздухе?
В отливной сосуд наливают воду до уровня боковой трубки. После этого в сосуд погружают плавающее тело (рис.153), предварительно взвесив ею в воздухе. Опустившись в воду, тело вытесняет объем воды, равный объему погруженной в нее части тела. Взвесив эту воду, находят, что вес (архимедова сила) равен силе тяжести, действующей на плавающее тело, или весу этого тела в воздухе.
3. Чему равна выталкивающая сила, которая действует на тело, плавающее на поверхности жидкости?
Когда тело плавает на поверхности жидкости, то выталкивающая сила равна по модулю силе тяжести. но противоположна ей по направлению.
4. Как зависит глубина погружения в жидкость плавающего тела от его плотности?
Глубина погружения растет с увеличением плотности.
5. Почему водные животные не нуждаются в прочных скелетах?
Средняя плотность живых организмов, населяющих водную среду, мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почти полностью уравновешивается архимедовой силой, поэтому водные животные не нуждаются в прочных скелетах.
6. Какую роль играет плавательный пузырь у рыб?
Плавательный пузырь играет важную роль в жизни рыб. Когда рыба с помощью мыши опускается на большую глубину и давление воды на нее увеличивается, пузырь сжимается, объем тела рыбы уменьшается, и она не выталкивается вверх, а плавает в глубине. При подъеме объем плавательного пузыря. и соответственно объем всего тела рыбы увеличивается, и она плавает уже на меньшей глубине.
7. Как регулируют глубину погружения киты?
Морские млекопитающие киты регулируют глубину своего погружения за счет регулирования объема легких.
Условия плавания тел
Сила: что это за величина
Перед тем, как разобраться в процессе плавания тел, нужно понять, что такое сила.
В повседневной жизни мы часто встречаем, как любое тело деформируется (меняет форму или размер), ускоряется или тормозит, падает. В общем, чего только с разными телами в реальной жизни не происходит. Причина любого действия или взаимодействия — ее величество сила.
Она измеряется в Ньютонах — единице измерения, которую назвали в честь Исаака Ньютона.
Сила — величина векторная. Это значит, что, помимо модуля, у нее есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.
Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В этом случае результат выражается в направлении движения.
Закон Архимеда
Этот закон известен преимущественно не своей формулировкой, а историей его возникновения.
Легенда гласит, что царь Герон II попросил Архимеда определить, из чистого ли золота сделана его корона, при этом, не причиняя вреда самой короне. То есть, нельзя ее расплавить или в чем-нибудь растворить.
Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото.
Это можно сделать по формуле плотности.
Формула плотности тела
ρ — плотность тела [кг/м^3]
Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему.
Решение задачи было найдено и, согласно самой расхожей версии легенды, ученый закричал «Эврика!» и побежал докладывать о своей победе в царский дворец (по легенде он даже не оделся).
Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна по модулю весу вытесненной жидкости и противоположно ему направлена.
На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость или газ, действуют силы давления. Эти силы увеличиваются с глубиной погружения, и на нижнюю часть тела будет действовать со стороны жидкости большая сила, чем на верхнюю.
Равнодействующая всех сил давления, действующих на поверхность тела со стороны жидкости, называется выталкивающей силой или силой Архимеда. Истинная причина появления выталкивающей силы — наличие различного гидростатического давления в разных точках жидкости.
Сила Архимеда
ρ ж — плотность жидкости [кг/м^3]
V погр — объем погруженной части тела [м^3]
g — ускорение свободного падения [м/с^2]
На планете Земля: g = 9,8 м/с^2
А теперь давайте порешаем задачки.
Задача 1
В сосуд погружены три железных шарика равных объемов. Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? (Плотность жидкости вследствие ничтожно малой сжимаемости на любой глубине считать примерно одинаковой).
Решение:
Да, так как объемы одинаковы, а архимедова сила зависит от объема погруженной части тела, а не от глубины.
Задача 2
На поверхности воды плавают бруски из дерева, пробки и льда. Укажите, какой брусок из пробки, а какой изо льда? Какая существует зависимость между плотностью тела и объемом этого тела над водой?
Решение:
Чем меньше плотность тела, тем большая часть его находится над водой. Дерево плотнее пробки, а лед плотнее дерева. Значит изо льда — материал №1, а из пробки — №3.
Задача 3
На графике показана зависимость модуля силы Архимеда FАрх, действующей на медленно погружаемый в жидкость кубик, от глубины погружения x. Длина ребра кубика равна 10 см, его нижнее основание всё время параллельно поверхности жидкости. Определите плотность жидкости. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с2.
Решение:
Сила Архимеда, действующая на кубик равна FАрх = ρж * g * Vпогр
V — объём погруженной части кубика,
ρ — плотность жидкости.
Учитывая, что нижнее основание кубика всё время параллельно поверхности жидкости, можем записать:
а — длина стороны кубика.
ρ = FАрх / (g * a 2 * x)
Рассматривая любую точку данного графика, получим:
Ответ: плотность жидкости равна 2700 кг/м3
Задача 4
В сосуде с водой, не касаясь стенок и дна, плавает деревянный кубик с длиной ребра 20 см. Кубик вынимают из воды, заменяют половину его объёма на материал, плотность которого в 6 раз больше плотности древесины, и помещают получившийся составной кубик обратно в сосуд с водой. На сколько увеличится модуль силы Архимеда, действующей на кубик? (Плотность сосны — 400 кг/м3.)
Решение:
В первом случае кубик плавает в воде, а это значит, что сила тяжести уравновешивается силой Архимеда:
FАрх1 = mg = ρт * g * a 3 = 400 * 0,2 3 * 10 = 32 Н
После замены части кубика его средняя плотность станет равной
0,5 * 400 + 0,5 * 2400 = 1400 кг/м3
Получившаяся плотность больше плотности воды = 100 кг/м3. Это значит, что во втором случае кубик полностью погрузится в воду. Сила Архимеда в этом случае будет равна:
FАрх2 = ρт * g * Vт = 1000 * 10 * 0,23 = 80 Н
Отсюда получаем, что сила Архимеда увеличится на 48 Н.
Ответ: сила Архимеда увеличится 48 Н
Плавание тел
Из закона Архимеда есть следствия об условиях плавания тел.
Условия плавания тел
Плавание внутри жидкости
Плавание на поверхности жидкости
Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.
Почему корабли не тонут?
Корабль сделан из металла, плотность которого больше плотности воды. И, по идее, он должен тонуть. Но дело в том, что корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Если корабль получит пробоину, то пространство внутри заполнится водой — следовательно, общая плотность корабля увеличится. Судно утонет.
В подводных лодках есть специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом. Если нужно уйти на глубину — водой, если подняться — сжатым воздухом. Рыбы используют такой же принцип в плавательном пузыре — наполняют его воздухом, чтобы подняться наверх.
Человеку, чтобы не утонуть, тоже достаточно набрать в легкие воздух и не двигаться — вода будет выталкивать тело на поверхность. Именно поэтому важно не тратить силы и кислород в легких на панику и борьбу, а расслабиться и позволить физическим законам сделать все за нас.
Бесплатный марафон: как самому создавать игры, а не только играть в них (◕ᴗ◕)
Записаться на марафон
Бесплатный марафон: как самому создавать игры, а не только играть в них (◕ᴗ◕)
Содержание:
Условия плавания тел:
Вы уже знаете, что на погружённое в жидкость тело действуют две силы: сила тяжести 
Под действием этих сил тело будет двигаться в сторону большей силы. При этом возможные следующие случаи:
Рассмотренные условия плавания тел в каждом случае определяются соотношением между плотностями жидкости и погружённого тела.
Подводная лодка, опустившись на илистое дно, иногда с трудом может оторваться от него. Такое присасывание лодки ко дну возникает в том случае, когда лодка прижимается к грунту так, что между нею и грунтом нет воды. Значит, вода не давит на его нижнюю часть, т. е. не возникает выталкивающей силы.
Для выполнения подводных работ используют водолазные костюмы (рис. 145).
Пользуясь аквалангом, изобретённым известным исследователем морских глубин французским учёным Жаком-Ивом Кусто, человек может долго находиться в воде и свободно плавать (рис. 146).
Для исследования морей и океанов на больших глубинах используют батисферы и батискафы. Батисфера (от греческих слов батис — глубокий и сфера) — это очень прочный стальной шар с иллюминаторами (окнами) из толстого стекла. Внутри шара находятся исследователи, поддерживающие связь с кораблём. Батисферу опускают на стальном тросе.
Батискаф (от греческих слов батис — глубокий; скафос — судно) отличается от батисферы тем, что он не удерживается на тросе, а имеет собственный двигатель и может свободно перемещаться на больших глубинах (до 11 км) в любых направлениях (рис. 147).
Тело, имеющее меньшую плотность, чем некоторые жидкости, по-разному погружается в них. Это явление используют в ареометрах (от греческих слов араиос — жидкий и метрео — измеряю) — приборах для измерения плотности жидкости по глубине их погружения. Любой ареометр — это стеклянный поплавок в виде трубки с делениями и грузом внизу (рис. 148, а). Он погружается в жидкость тем глубже, чем меньше плотность жидкости. В нижней части ареометра может быть термометр для измерения температуры исследуемой жидкости.
Ареометры имеют ещё и другое название; их називають денсиметрами (от латинских слов денсус — густой и метрео). Денсиметрами можно измерять плотности жидкостей от 0,7 до 2,0 На рисунке 148, б изображены денсиметры разных видов:
Плавающее тело своей подводной частью вытесняет воду. Вес этой воды равней силе тяжести, действующей на это тело. Это справедливо и для любого судна. Вес воды, которую вытесняет подводная часть судна, равен силе тяжести, действующей на судно с грузом.
Все суда погружаются в воду на определённую глубину, называемую осадкой. Максимально допустимую осадку обозначают на корпусе судна красной линией, называемую ватерлинией (от голландского слова ватер — вода). Кроме ватерлинии на судах делают и другие пометки, обозначающие уровни погружения судна в разных морях и океанах в зависимости от времени года (рис. 149).
Это связано с тем, что плотность воды в различных местах Мирового океана разная, кроме того, она ещё зависит и от температуры воды (летом плотность меньше, чем зимой).
Каждое судно имеет свое водоизмещение. Водоизмещение судна — это вес вытесненной судном воды, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом при его погружении в воду.
Наибольшие суда используют для перевозки нефти, их называют танкерами. Водоизмещение таких судов достигает 5 ООО ООО ООО Н.
Свыше 200 лет отделяют нас от первых воздушных полётов человека. 5 мая 1783 г. — первая публичная демонстрация полёта оболочки, наполненной горячим воздухом. 21 ноября того же года французские изобретатели братья Жозеф и Этьенн Монгольфье осуществили первый полёт воздухоплавателей (рис. 150).
А через 10 дней французский физик Жак Шарль отправился в путешествие по воздушному океану на аэростате собственной конструкции, оболочка которого была наполнена водородом. Этот аэростат стал прообразом дирижаблей.
Для исследования верхних слоёв атмосферы на метеорологических станциях запускают небольшие, диаметром 1—2 м, воздушные шары-зонды (рис. 151). Они поднимаются на высоту до 35—40 км. К ним подвешивают приборы, посылающие по радио сигналы о высоте полёта, давлении, температуре воздуха. По направлению и скорости полёта шара можно определить направление и силу ветра на разных высотах. Сведения, получаемые с таких зондов, очень важны для прогнозирования погоды.
На рисунке 152 изображён управляемый летательный аппарат, который легче воздуха — дирижабль.
Этот аппарат приводят в движение винты, которые вращаются двигателями. Существенный недостаток аппаратов такого типа заключается в том, что их оболочка наполняется огнеопасным газом водородом. Воздушные шары, стратостаты, дирижабли, зонды поднимаются вверх за счёт того, что они наполнены газами, которые легче воздуха, и на них действует выталкивающая сила.
Кстати:
Условия плавания тел
Согласно закону Архимеда, на все тела, погруженные в жидкость, действуют выталкивающие силы, значение которых зависит от объемов этих тел и плотности жидкости. Таким образом, если тела имеют равные объемы, то и выталкивающие силы, действующие на них в данной жидкости, будут равными. Почему же тогда одни тела тонут в воде, а другие плавают?
Почему тела плавают или тонут
Для примера возьмем два шарика одинакового объема, но один металлический, а другой деревянный. Взвешивание их покажет, что вес деревянного шарика меньше веса металлического. Всплытие деревянного шарика, погруженного в жидкость, показывает, что равнодействующая силы тяжести и силы Архимеда направлена вверх, в направлении действия силы Архимеда. Таким образом, в этом случае сила Архимеда больше силы тяжести (рис. 112).
В случае с металлическим шариком равнодействующая направлена вниз, поскольку сила тяжести больше силы Архимеда (рис. 113).
При равности сил Архимеда и тяжести, действующих на погруженное в жидкость тело, равнодействующая равна нулю (рис. 114). Следовательно, в этом случае погруженное в жидкость тело будет находиться в равновесии в любой точке жидкости.
Однако измерить силу тяжести или силу Архимеда во всех случаях невозможно или это неудобно. Поэтому предсказать поведение тела в жидкости можно не всегда. Чтобы найти выход, сделаем расчеты.
Когда тела тонут в жидкости
Тело тонет, если его средняя плотность больше плотности жидкости.
На каждое тело в жидкости действуют две силы: сила Архимеда 
и сила тяжести 
Для случая, когда тело тонет в данной жидкости:
Налитая в стакан с водой ртуть опускается на дно (рис. 115).
Подобным образом различные суда могут плавать по поверхности воды. Вес воды, вытесненной подводной частью судна, равен весу самого судна. Очевидно, что чем больший вес судна, тем больше глубина его погружения в воду.
Когда тела плавают в жидкости
Тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости.
Если тело плавает, то 
или 
Отсюда
Налитое в стакан подсолнечное масло всплывает на поверхность воды, так как его плотность меньше плотности воды (рис. 116). Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть в таблицу значений плотности на с. 53.
Плавание судов
Человек издавна мечтал о преодолении водного пространства. Сначала он приспосабливал для этого деревянные колоды, плоты, а затем начал строить деревянные лодки и корабли.
Для изготовления современных суден используют различные металлы. Из металла изготавливается корпус судна, его конструктивные элементы. Вместе с этим большой объем судна не заполнен металлом. Поэтому его средняя плотность меньше плотности воды.
При погружении нижней части судна в воду возникает сила Архимеда, равняющаяся весу вытесненной воды. При условиях плавания эта сила всегда равна весу судна. Если судно нагружают, его вес увеличивается, и оно начинает погружаться в воду. Чем глубже погружается судно, тем большей становится сила Архимеда. Когда она будет равной весу судна, оно прекращает погружаться. Глубину, на которую погружается судно в воду, называют осадкой судна.
Численно водотоннажность равна силе тяжести, действующей на судно с грузом. Самая большая водотоннажность у современных танкеров. Она достигает 5•10 6 кН и больше. Вместе с грузом масса этих суден 500 000 т и больше.
Если от водотоннажности вычесть вес судна, то получим вес груза, который это судно может перевезти. Это грузоподъемность судна.
Водный транспорт очень удобен и экономически выгоден. Перевозка грузов водным транспортом значительно дешевле, чем другими видами транспорта. Поэтому для дальнейшего его развития необходимо создавать более совершенные суда и одновременно заботиться о состоянии водных артерий страны, которым очень вредят промышленные выбросы и загрязнения (отходы) с судов.
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
§ 52. Плавание тел
На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и архимедова сила, направленная вертикально вверх. Рассмотрим, что будет происходить с телом под действием этих сил, если вначале оно было неподвижно. При этом возможны три случая:
1) если сила тяжести Fтяж больше архимедовой силы FA, то тело будет опускаться на дно, тонуть, т. е. если
2) если сила тяжести Fтяж равна архимедовой силе FA, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, т. е. если
3) если сила тяжести Fтяж меньше архимедовой силы FA, mo тело будет подниматься из жидкости, всплывать, т. е. если
Рассмотрим последний случай подробнее.
Когда всплывающее тело достигнет поверхности жидкости, то при дальнейшем его движении вверх архимедова сила будет уменьшаться. Почему? Да потому, что будет уменьшаться объём части тела, погружённой в жидкость, а архимедова сила равна весу жидкости в объёме погружённой в неё части тела.
Когда архимедова сила станет равной силе тяжести, тело остановится и будет плавать на поверхности жидкости, частично погрузившись в неё.
Полученный вывод легко проверить на опыте.
В отливной сосуд наливают воду до уровня боковой трубки. После этого в сосуд погружают плавающее тело (рис. 153), предварительно взвесив его в воздухе. Опустившись в воду, тело вытесняет объём воды, равный объёму погружённой в неё части тела. Взвесив эту воду, находят, что её вес (архимедова сила) равен силе тяжести, действующей на плавающее тело, или весу этого тела в воздухе.
Проделав такие же опыты с любыми другими телами, плавающими в разных жидкостях — в воде, спирте, растворе соли, можно убедиться, что если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу этого тела в воздухе.
Легко доказать, что если плотность сплошного твёрдого тела больше плотности жидкости, то тело в такой жидкости тонет. Тело с меньшей плотностью всплывает в этой жидкости. Кусок железа, например, тонет в воде, но всплывает в ртути. Тело же, плотность которого равна плотности жидкости, остаётся в равновесии внутри жидкости.
Плавает на поверхности воды и лёд (рис. 154), так как его плотность меньше плотности воды.
Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость (рис. 155).
При равных плотностях твёрдого тела и жидкости тело плавает внутри жидкости на любой глубине.
Две несмешивающиеся жидкости, например вода и керосин, располагаются в сосуде в соответствии со своими плотностями: в нижней части сосуда — более плотная вода (ρ= 1000 кг/м 3 ), сверху — более лёгкий керосин (ρ= 800 кг/м 3 )
Средняя плотность живых организмов, населяющих водную среду, мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почти полностью уравновешивается архимедовой силой. Благодаря этому водные животные не нуждаются в столь прочных и массивных скелетах, как наземные. По этой же причине эластичны стволы водных растений.
Плавательный пузырь рыбы устроен так, что легко меняет свой объём. Когда рыба с помощью мышц опускается на большую глубину и давление воды на неё увеличивается, пузырь сжимается, объём тела рыбы уменьшается и она не выталкивается вверх, а плавает в глубине. При подъёме объём плавательного пузыря и, соответственно, объём всего тела рыбы увеличивается, и она плавает уже на меньшей глубине. Таким образом рыба может в определённых пределах регулировать глубину своего погружения.
Морские млекопитающие киты регулируют глубину своего погружения за счёт уменьшения и увеличения объёма лёгких.
Вопросы
1 При каком условии тело, находящееся в жидкости, тонет; плавает? всплывает?
2. Как показать на опыте, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом, равен весу тела в воздухе?
3. Чему равна выталкивающая сила, которая действует на тело, плавающее на поверхности жидкости?
4. Как зависит глубина погружения в жидкость плавающего тела от его плотности?
5. Почему водные животные не нуждаются в прочных скелетах?
6. Какую роль играет плавательный пузырь у рыб?
7. Как регулируют глубину погружения киты?
Упражнение 27
1. На весах уравновесили отливной сосуд с водой (рис. 156, а). В воду опустили деревянный брусок. Равновесие весов сначала нарушилось (рис. 156, б). Но когда вся вода, вытесненная плавающим бруском, вытекла из сосуда, равновесие весов восстановилось (рис. 156, в). Объясните это явление.
2. На рисунке 157 изображено одно и то же тело, плавающее в двух разных жидкостях. Плотность какой жидкости больше? Почему? Что можно сказать о силе тяжести, действующей на тело, и архимедовой силе в том и другом случае?
3. Яйцо тонет в пресной воде, но плавает в солёной. Объясните почему. Пронаблюдайте это сами на опыте.
4. Изобразите графически силы, действующие на тело, плавающее на воде, всплывающее на поверхность воды, тонущее в воде.
5. Пользуясь таблицами плотности 2—4, определите, тела из каких металлов будут плавать в ртути, а какие — тонуть.
6. Будет ли кусок льда плавать в бензине, керосине, глицерине?
Задание
• Французский учёный Декарт (1596—1650) для демонстрации некоторых гидростатических явлений придумал прибор. Высокий стеклянный сосуд (банку) наполняли водой, оставляя сверху сосуда небольшой объём воздуха. В этот сосуд опускали небольшую полую стеклянную фигурку. Фигурку заполняли частично во-
дой и частично воздухом так, чтобы она только немного выходила из воды. Сверху стеклянный сосуд плотно закрывали куском тонкой кожи. Нажимая на кожу, можно было заставить фигурку плавать в воде и на воде, а также тонуть.
• Изготовьте такой прибор («картезианский водолаз») и проделайте с ним опыты. Фигурку замените небольшим поплавком, а сосуд закройте резиновой плёнкой (рис. 158, а. На рисунке 158, б изображён другой вариант этого прибора).
• Объясните действие прибора. Продемонстрируйте на этом приборе законы плавания тел.
