Embedded Files
Вам, можливо, доводилося відмічати, що під водою легше підняти камінь, який з великим зусиллям доводиться піднімати в повітрі. Якщо занурити корок під воду й випустити його з руки, то він випливе. Аналізуючи ці явища, можна припустити, що в рідині діє якась сила, що напрямлена вгору. Перевіримо свою гіпотезу на досліді.
Прив’яжемо до динамометра тягарець. Опустимо тягарець у посудину з водою. Бачимо, що покази динамометра зменшились. Такий самий ефект можна отримати в тому випадку, якщо знизу діяти якоюсь силою, наприклад, піднімати рукою тягарець. Наша гіпотеза підтверджена дослідом.
На тіло, занурене в рідину, діє виштовхувальна сила, її називають ще архімедовою силою, або силою Архімеда на честь давньогрецького вченого — Архімеда, який уперше довів існування цієї сили і визначив її. Позначають силу Архімеда FА.
Спробуємо з’ясувати, від чого залежить виштовхувальна сила і як її розраховувати.
Ви знаєте, що рідина тисне на дно і стінки посудини, а якщо всередину рідини помістити яке-небудь тверде тіло, то воно також зазнаватиме тиску.
Розглянемо сили, які діють з боку рідини на занурене в неї тіло. Щоб легше було міркувати, виберемо тіло, яке має форму паралелепіпеда з основами, паралельними поверхні рідини. Сили, які діють на бічні грані тіла, попарно однакові й зрівноважують одна одну (F3 = F4). Під дією цих сил тіло тільки стискається. А сили, що діють на верхню і нижню грані тіла, не однакові. На верхню грань тисне зверху із силою F1 стовп рідини висотою h1. На рівні нижньої грані тіла тиск створює стовп рідини висотою h2.
Цей тиск передається всередині рідини в усі боки. Отже, на нижню грань тіла знизу вгору із силою F2 тисне стовп рідини висотою h2. Але h2 більша від h1, значить, і модуль сили F2 більший за модуль сили F1. Тому тіло виштовхується з рідини із силою FA, що дорівнює різниці сил F2 i F1, тобто:
FA = F2 - F1.
Визначимо цю виштовхувальну силу. Сили F2 і F1, які діють на верхню і нижню грані паралелепіпеда, можна обчислити за їх площами S1 і S2 і тиском рідини на рівнях цих граней р1 i р2:
F1 = p1S1 i F2= p2S2, де р1 = ρgh1, p2 = ρgh2.
Оскільки площі основ паралелепіпеда однакові, тобто S1 = S2 = S, то для виштовхувальної сили отримаємо:
FA = F2 - F1 = ρgh2S - ρgh1S = ρgS(h2 - h1) = ρgSh = ρgV,
де також враховано, що різниця рівнів води, відповідних його нижній і верхній граням, дорівнює висоті паралелепіпеда, тобто h2 - h1 = h, а добуток Sh = V — це об’єм паралелепіпеда.
Із отриманої формули FA = ρgV випливає, що виштовхувальна сила Архімеда прямо пропорційно залежить від густини рідини, в яку занурене тіло, і від об’єму цього тіла.
Якщо одне й те саме тіло занурювати в рідини з різними густинами, то чим більшою є густина рідини, тим більша виштовхувальна сила діє на занурене тіло.
Якщо занурювати в рідину тіла з однакової речовини, але різного об’єму, то на тіло більшого об’єму діє більша виштовхувальна сила.
Виштовхувальна сила також не залежить від речовини, з якої виготовлене тіло, і не залежить від глибини занурення. Якщо занурювати в рідину тіла, виготовлені з різних матеріалів, але однакового об’єму, то виштовхувальна сила буде однаковою. При цьому в повітрі ці тіла матимуть різну вагу.
Архімед
(близько 287 до н. е., - 212 до н. е.) —
давньогрецький математик, фізик, інженер, винахідник та астроном. Хоча дуже мало деталей відомо про його життя, він вважається одним з найвидатніших науковців античності.
Плавання та повітроплавання
І сила тяжіння, і виштовхувальна (архімедова) сила для одного й того самого тіла залежать тільки від густини рідини і густини тіла (Fтяж = gρтVт і FB = gρpVт). Очевидно, що сила тяжіння більша за виштовхувальну тоді, коли густина тіла більша за густину рідини. І навпаки, сила тяжіння менша від виштовхувальної, коли густина тіла менша від густини рідини. Знаючи густину тіла і густину рідини, можна передбачити, як поводитиме себе тіло в рідині:
якщо густина тіла більша за густину рідини ρт > ρр, то воно тоне;
якщо густина тіла дорівнює густині рідини ρт = ρр, то тіло не тоне і не спливає;
якщо густина тіла менша від густини рідини ρт< ρр, то тіло спливає.
Усім відомо, що лід плаває на поверхні води, оскільки його густина менша від густини води. Чим меншою є густина тіла порівняно з густиною рідини, тим менша його частина занурена в рідину. Тож можете порівняти, яка частина айсберга знаходиться над водою, а яка — під водою.
Судна, які плавають по річках, озерах і морях, збудовані з різних матеріалів неоднакової густини (мал. 200). Особливістю їх виготовлення є те, що вага води, яку витісняє підводна частина судна, дорівнює вазі судна з вантажем у повітрі або силі тяжіння, що діє на судно з вантажем.
Виштовхувальну силу, яка діє в повітрі на всі тіла, використовують, створюючи літальні апарати, легші від повітря.
Перевір себе
Перевір себе
Запитання для самоперевірки
1. Куди напрямлена сила, яка діє з боку рідини або газу на тіло, що в них занурене?
2. Що є причиною виникнення виштовхувальної сили?
3. Як ще називають виштовхувальну силу?
4. Сформулюйте закон Архімеда.
5. Чи втрачає вагу тіло, занурене в рідину або газ? Чому?
6. У яких випадках на тіло, занурене в рідину, не діє виштовхувальна сила? Чому?
Задачі
1. На тіло, занурене у воду, діє виштовхувальна сила 5 Н. Яка виштовхувальна сила діятиме на це тіло, якщо його занурити в гас?
2. На тіло, вага якого в повітрі 7,8 Н, при занурені у воду діє виштовхувальна сила 1 Н. Із якої речовини виготовлено тіло?
3. На тіло, занурене в спирт, діє виштовхувальна сила 19,2 Н. Коли це тіло занурили в іншу рідину, то виштовхувальна сила стала дорівнювати 24 Н. Визначте об’єм тіла й густину невідомої речовини.
4. Алюмінієву кулю вагою 108 Н, підвішену до троса, занурили у воду. З якою силою розтягується трос?
5. Якого найменшого об’єму має бути надувний човен масою 7 кг, щоб утримати хлопчика, вага якого 380 Н?
6. Площа крижини 8 м2, товщина 25 см. Чи зануриться вона повністю у прісну воду, якщо на неї стане людина вагою 600 Н?
7. Яку силу треба прикласти, щоб підняти під водою камінь масою 30 кг, об’єм якого 0,012 м3?
Page updated
Google Sites
Report abuse