Как Изменяется Сила Архимеда Действующая на Человека Когда он Заходит Купаться в Реку

ЗАКОН АРХИМЕДА

– закон статики жидкостей и газов, согласно которому на погруженное в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

Тот факт, что на погруженное в воду тело действует некая сила, всем хорошо известен: тяжелые тела как бы становятся более легкими – например, наше собственное тело при погружении в ванну. Купаясь в речке или в море, можно легко поднимать и передвигать по дну очень тяжелые камни – такие, которые не удается можем поднять на суше; то же явление наблюдается, когда по каким-либо причинам выброшенным на берегу оказывается кит – вне водной среды животное не может передвигаться – его вес превосходит возможности его мышечной системы. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: чтобы утопить мяч размером с небольшой арбуз требуется и сила, и ловкость; погрузить мяч диаметром полметра скорее всего не удастся. Интуитивно ясно, что ответ на вопрос – почему тело плавает (а другое – тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело; нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые – тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать; при этом ее вес не изменился. Чтобы понять природу силы, действующей на погруженное тело со стороны жидкости, достаточно рассмотреть простой пример (рис. 1).

Кубик с ребром a погружен в воду, причем и вода, и кубик неподвижны. Известно, что давление в тяжелой жидкости увеличивается пропорционально глубине – очевидно, что более высокий столбик жидкости более сильно давит на основание. Гораздо менее очевидно (или совсем не очевидно), что это давление действует не только вниз, но и в стороны, и вверх с той же интенсивностью – это закон Паскаля.

Если рассмотреть силы, действующие на кубик (рис. 1), то в силу очевидной симметрии силы, действующие на противоположные боковые грани, равны и противоположно направлены – они стараются сжать кубик, но не могут влиять на его равновесие или движение. Остаются силы, действующие на верхнюю и на нижнюю грани. Пусть h – глубина погружения верхней грани, r – плотность жидкости, g – ускорение силы тяжести; тогда давление на верхнюю грань равно

r g h = p₁

r g(h+a) = p₂

Сила давления равна давлению, умноженному на площадь, т. е.

F₁ = p₁ a\up122, F₂ = p₂ a\up122, где a – ребро кубика,

причем сила F₁ направлена вниз, а сила F₂ – вверх. Таким образом, действие жидкости на кубик сводится к двум силам – F₁ и F₂ и определяется их разностью, которая и является выталкивающей силой:

F₂ – F₁ = r g (h+a) a\up122 – r gha ·a 2 = pga 2

Сила – выталкивающая, так как нижняя грань, естественно, расположена ниже верхней и сила, действующая вверх, больше, чем сила, действующая вниз. Величина F₂ – F₁= pga 3 равна объему тела (кубика) a 3, умноженному на вес одного кубического сантиметра жидкости (если принять за единицу длины 1 см). Другими словами, выталкивающая сила, которую часто называют архимедовой силой, равна весу жидкости в объеме тела и направлена вверх. Этот закон установил античный греческий ученый Архимед, один из величайших ученых Земли.

Если тело произвольной формы (рис. 2) занимает внутри жидкости объем V, то действие жидкости на тело полностью определяется давлением, распределенным по поверхности тела, причем заметим, что это давление совершенно не зависит от материала тела – («жидкости все равно на что давить»).

Для определения результирующей силы давления на поверхность тела нужно мысленно удалить из объема V данное тело и заполнить (мысленно) этот объем той же жидкостью. С одной стороны, есть сосуд с жидкостью, находящейся в покое, с другой стороны внутри объема V – тело, состоящее из данной жидкости, причем это тело находится в равновесии под действием собственного веса (жидкость тяжелая) и давления жидкости на поверхность объема V. Так как вес жидкости в объеме тела равен pgV и уравновешивается равнодействующей сил давления, то величина ее равна весу жидкости в объеме V, т. е. pgV.

Сделав мысленно обратную замену – поместив в объеме V данное тело и отметив, что эта замена никак не скажется на распределении сил давления на поверхность объема V, можно сделать вывод: на погруженное в покоящуюся тяжелую жидкость тело действуют направленная вверх сила (архимедова сила), равная весу жидкости в объеме данного тела.

Аналогично можно показать, что если тело частично погружено в жидкость, то архимедова сила равна весу жидкости в объеме погруженной части тела. Если в этом случае архимедова сила равна весу, то тело плавает на поверхности жидкости. Очевидно, что если при полном погружении архимедова сила окажется меньше веса тела, то оно утонет. Архимед ввел понятие «удельного веса» g, т. е. веса единицы объема вещества: g = pg; если принять, что для воды g = 1, то сплошное тело из вещества, у которого g > 1 утонет, а при g будет плавать на поверхности; при g = 1 тело может плавать (зависать) внутри жидкости. В заключение заметим, что закон Архимеда описывает поведение аэростатов в воздухе (в покое при малых скоростях движения).

Закон Архимеда для чайников

Обновлено: 09 Февраля 2024

• Кто такой Архимед?
• Как был открыт закон Архимеда?
• Почему так происходит?
• Как это работает в жизни?
• Кто такой Архимед?
• Как был открыт закон Архимеда?
• Почему так происходит?
• Как это работает в жизни?

Рассказываем историю открытия и объясняем, почему он важен.

Кто такой Архимед?

Древнегреческий ученый и изобретатель из Сиракуз. Жил в 3-м веке до нашей эры и сделал много открытий в геометрии, заложил основы механики и гидро- и аэростатики. К последним двум относится закон Архимеда.

Как был открыт закон Архимеда?

По распространенной версии, Архимед получил задание от царя Гиерона определить, из чистого ли золота сделана корона. Ученые того времени уже понимали связь между объемом и удельным весом вещества, но корона была неправильной формы. Архимед размышлял над тем, как измерить ее объем.

Решение пришло, когда он принимал ванну (точнее, тазик с водой). Ученый заметил, что когда тело погружается в воду, ее уровень становится выше. Это навело на мысль, что тело вытесняет объем воды, равный собственному объему.

Впоследствии оказалось, что этот закон применим и для предметов, помещенных в газовую среду.

Почему так происходит?

На погружаемое тело действует выталкивающая или подъемная сила (сила Архимеда), равная весу объема вытесненного вещества — жидкости или газа. Это и есть закон Архимеда.

Сама формула силы Архимеда выглядит так:

Чтобы понять, погрузится тело или нет, нужно высчитать его силу тяжести:

• Если сила тяжести больше, чем сила Архимеда, то тело утонет.
• Если обе силы равны, то тело не сможет утонуть или самостоятельно погрузиться. В жидкости оно будет плавать.
• Если сила тяжести меньше, то объект будет плавать на поверхности или подниматься, пока не всплывет.

Но можно обойтись знанием плотности вещества, из которого состоит объект, и вещества среды, в которое он может погрузиться. Тогда получаем:

• Если плотность тела больше, чем плотность среды, то оно утонет.
• Если обе плотности равны, то тело «зависнет» в среде и не сможет самостоятельно погрузиться или подняться.
• Если плотность тела ниже, чем плотность среды, то объект будет плавать на поверхности или подниматься, пока не всплывет.

Как это работает в жизни?

С явлением, описанным законом Архимеда, мы сталкиваемся постоянно. Благодаря этому знанию можете рассчитать конструкцию огромного корабля, который не утонет, и воздушного шара, который поднимется вверх.

Хотя для таких расчетов, конечно, знания основного закона статики недостаточно. Помочь разобраться в теме и сделать точные вычисления могут специалисты ФениксХелп.