Выталкивающая сила в жидкостях и газах. Закон Архимеда

Аналогично на нижнюю грань кубика действует сила давления Е₂:

Равнодействующая этих сил равна разности значений сил F₂ и F_l и направлена в сторону действия большей силы, то есть вертикально вверх.

По вертикали вверх на кубик, погруженный в жидкость, действует сила, обусловленная разностью давлений на его нижнюю и верхнюю грани, — выталкивающая сила:

На тело, помещенное в газ, тоже действует выталкивающая сила, но она значительно меньше выталкивающей силы, действующей на то же тело в жидкости, поскольку плотность газа намного меньше плотности жидкости.

Выталкивающую силу, которая действует на тело в жидкости или газе, называют также архимедовой силой (в честь древнегреческого ученого Архимеда (рис. 27.3), который первым указал на существование этой силы и вычислил ее значение).

Рассчитываем архимедову силу

Вычислим значение архимедовой (выталкивающей) силы для кубика, погруженного в жидкость (см. рис. 27.2).

Вы уже знаете, что архимедова сила равна разности сил давлений жидкости на нижнюю и верхнюю грани кубика:

Мы рассмотрели случай с кубиком, полностью погруженным в жидкость. Однако полученный результат выполняется для тела любой формы, а также в случаях, когда тело погружено в жидкость частично (для расчетов следует брать объем погруженной в жидкость части тела). Кроме того, результат справедлив и для газов.

А теперь сформулируем закон Архимеда:

На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, которая равна весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела:

Архимедова сила приложена к центру погруженной части тела и направлена вертикально вверх(рис. 27.4).

Выясняем, всегда ли на тело, погруженное в жидкость, действует архимедова сила

Подвесим к динамометру камешек на нити. Динамометр покажет вес камешка. Подставим стакан с водой так, чтобы камешек оказался полностью погруженным в воду. Показание динамометра уменьшится. Кажется, что камешек «потерял» часть своего веса. Но никакой потери веса тела в жидкости не происходит: вес перераспределяется между подвесом (нитью) и опорой (жидкостью). Даже если архимедова сила, действующая на тело, достаточна, чтобы его удержать, и подвес не будет растянут, тело все равно не находится в состоянии невесомости, ведь оно давит на опору — жидкость.

Следует отметить: когда тело плавает, его вес распределяется на воду, окружающую всю поверхность тела. Поэтому во время плавания нам кажется, что мы потеряли вес. Такие комфортные условия поддержания тяжелого тела обусловили то, что в результате эволюции самые массивные существа на Земле живут в океане (рис. 27.5).

Именно архимедова сила помогает нам поднимать в воде тяжелые камни или другие предметы, ведь часть силы тяжести, действующей на эти тела, уравновешивается не силой наших рук, а выталкивающей силой.

Однако случается, что вода не помогает поднять тело, а наоборот — препятствует этому. Это происходит, если тело лежит на дне и плотно к нему прилегает. Вода не может попасть под нижнюю поверхность тела и помочь своим давлением поднять его. В таком случае, чтобы оторвать тело от дна, нужно преодолеть не только силу тяжести, действующую на тело, но и силу давления воды на верхнюю поверхность тела (рис. 27.6).

Данное явление может стать причиной трагедии: если подводная лодка опустится на глинистое дно и вытеснит из-под себя воду, всплыть сама она не сможет.

Учимся решать задачи

Задача. Однородный алюминиевый брусок массой 540 г полностью погружен в воду и не касается дна и стенок сосуда. Определите архимедову силу, действующую на брусок.

Анализ физической проблемы. Для вычисления архимедовой силы нужно знать плотность воды и объем бруска. Объем бруска определим по его массе и плотности. Плотности воды и алюминия узнаем из таблиц плотностей (с. 249). Задачу будем решать в единицах СИ.

,Подводим итоги

На тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая (архимедова) сила. Причина ее появления в том, что давление, которое оказывает жидкость или газ на верхнюю поверхность тела, отличается от давления, оказываемого на нижнюю поверхность тела.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, которая направлена вертикально вверх и равна весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела: F_арх = р#У_п.

Контрольные вопросы

1. Куда направлена сила, действующая со стороны жидкости или газа на тела, погруженные в них? 2. Какова причина возникновения выталкивающей силы? 3. Как еще называют выталкивающую силу? 4. Сформулируйте закон Архимеда. 5. Теряет ли вес тело, погруженное в жидкость или газ? Почему? 6. В каких случаях на тело, погруженное в жидкость, не действует выталкивающая сила? Почему?

Упражнение № 27

1. Сравните выталкивающие силы, которые действуют на однородные шарики в следующих случаях:

а) одинаковые железные шарики в сосуде с водой (рис. 1);

б) одинаковые железные шарики в сосудах с разной жидкостью (рис. 2);

в) разные по размеру железные шарики в сосуде с водой (рис. 3);

г) одинаковые по размеру шарики, изготовленные из разных материалов, в сосуде с водой (рис. 4).

2. Чтобы оторвать подводную лодку от глинистого дна, водолазы прокапывают под лодкой туннели. Для чего это делается?

3. Стальной шар объемом 400 см³ погружен в керосин. Определите архимедову силу, действующую на шар.

4. На шар, полностью погруженный в ртуть, действует архимедова сила 136 Н. Определите объем шара.

5. На алюминиевый брусок массой 2,7 кг, частично погруженный в воду, действует архимедова сила 2,5 Н. Какая часть бруска погружена в воду?

6. Каким будет показание динамометра, если подвешенный к нему груз массой 1,6 кг и объемом 1000 см³ погрузить в воду?

7. Если подвешенный к динамометру брусок погружают в воду, то динамометр показывает 34 Н, если в керосин — 38 Н. Определите массу и плотность бруска.

Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий