Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 28. Умови плавання тіл

У побуті для приготування розчину солі певної густини господині користуються таким прийомом. Вони занурюють у розчин сире яйце: якщо густина розчину замала, то яйце тоне, якщо достатня — спливає. Так само під час консервації визначають і густину цукрового сиропу. Сьогодні ви дізнаєтесь, коли тіло плаває в рідині чи газі, коли спливає і коли тоне.

1. Обґрунтовуємо умови плавання тіл

Ви, звісно, можете навести скільки завгодно прикладів плавання тіл. Плавають кораблі та човни, дерев’яні іграшки й повітряні кульки, плавають риби, дельфіни, інші істоти. А від чого залежить здатність тіла плавати?

Проведемо дослід. Візьмемо невелику посудину з водою та декілька кульок, виготовлених із різних матеріалів. Будемо по черзі занурювати тіла у воду, а потім відпускати їх без початкової швидкості. Далі залежно від густини тіла можливі різні варіанти (див. таблицю).

Варіант 1. Занурення. Тіло починає тонути і врешті опускається на дно посудини. З’ясуємо, чому це відбувається. На тіло діють дві сили:

  • 1) сила тяжіння Fтяж = mтg = pтVтg (оскільки mт = pтVт), напрямлена вертикально вниз;
  • 2) виштовхувальна сила Fарх = pрідgVт, напрямлена вертикально вгору.

Тіло занурюється, а це означає, що сила, напрямлена вниз, є більшою:

Fтяж > Fарх.

Оскільки Fтяж = pтVтg, а Fарх = pрідgVт, то pтVтg > pрідgVт. Після скорочення на gVт маємо:

Тіло тоне в рідині або газі, якщо густина тіла є більшою за густину рідини або газу.

Варіант 2. Плавання всередині рідини. Тіло не тоне і не спливає, а залишається плавати в товщі рідини.

Спробуйте довести, що в цьому випадку густина тіла дорівнює густині рідини:

Тіло плаває в товщі рідини або газу, якщо густина тіла дорівнює густині рідини або газу.

Варіант 3. Спливання. Тіло починає спливати і врешті зупиняється на поверхні рідини, занурившись у рідину частково.

Зрозуміло, що поки тіло спливає, архімедова сила є більшою за силу тяжіння:

Коли тіло зупиниться на поверхні рідини, архімедова сила і сила тяжіння будуть зрівноважені:

Fтяж = Fарх.

Тіло спливає в рідині чи газі або плаває на поверхні рідини, якщо густина тіла є меншою, ніж густина рідини або газу.

2. Спостерігаємо плавання тіл у живій природі

Тіла мешканців морів і річок містять у своєму складі багато води, тому їхня середня густина близька до густини води. Щоб вільно рухатися в рідині, вони мають «керувати» середньою густиною свого тіла. Для цього водні мешканці використовують різні «прийоми». Наведемо приклади.

У риб із плавальним міхуром таке керування відбувається за рахунок зміни об’єму міхура (рис. 28.1).

Молюск наутилус (рис. 28.2), який живе в тропічних морях, може швидко спливати і знову опускатися на дно завдяки тому, що здатний змінювати об’єм внутрішніх порожнин у своєму організмі (молюск живе в закрученій спіраллю мушлі).

Поширений у Європі водяний павук (рис. 28.3) несе із собою в глибину повітряну оболонку на черевці — саме вона дає йому запас плавучості й допомагає повернутися на поверхню.

Рис. 28.1. Змінюючи об’єм плавального міхура, риба може занурюватися, спливати, плавати всередині рідини

Рис. 28.2. Молюск наутилус плаває завдяки здатності змінювати об’єм внутрішніх порожнин у своєму організмі

Рис. 28.3. Повітряна оболонка на черевці дозволяє водяному павукові підніматися з глибини на поверхню

3. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Чи буде плавати у воді мідна куля масою 445 г, усередині якої є порожнина об’ємом 450 см3?

Аналіз фізичної проблеми. Щоб визначити, як поводитиметься куля у воді, потрібно густину кулі (pкулі) порівняти з густиною води (pводи).

Для обчислення густини кулі слід визначити її об’єм та масу. Маса повітря в кулі є незначною порівняно з масою міді, тому mкулі = mміді. Об’єм кулі складається з об’єму мідної оболонки Vміді та об’єму порожнини Vпорожн. Об’єм мідної оболонки можна визначити, знаючи масу та густину міді.

Про густини міді та води дізнаємось із таблиць густин (с. 249).

Задачу доцільно розв’язувати в поданих одиницях.

Підбиваємо підсумки

Тіло тоне в рідині або газі, якщо густина тіла є більшою за густину рідини або газу (pт > pрід). Тіло плаває в товщі рідини або газу, якщо густина тіла дорівнює густині рідини або газу (pт = pрід). Тіло спливає в рідині та газі або плаває на поверхні рідини, якщо густина тіла є меншою за густину рідини або газу (pт < pрід).

Контрольні запитання

1. За якої умови тіло тонутиме в рідині або газі? Наведіть приклади. 2. Яку умову потрібно виконати, щоб тіло плавало в товщі рідини або газу? Наведіть приклади таких тіл. 3. Сформулюйте умову спливання тіла в рідині або газі. Наведіть приклади. 4. За якої умови тіло плаватиме на поверхні рідини? 5. Для чого і як мешканці морів і річок змінюють власну густину?

Вправа № 28

1. Чи буде суцільний свинцевий брусок плавати в ртуті? у воді? в олії?

2. Розташуйте кульки, зображені на рис. 1, у порядку збільшення густини.

Рис. 1

3. Чи буде брусок масою 120 г і об’ємом 150 см3 плавати у воді?

4. За рис. 2 поясніть, як підводний човен здійснює занурення та підняття на поверхню.

Рис. 2

5. Тіло плаває в гасі, повністю занурившись. Визначте масу тіла, якщо його об’єм становить 250 см3.

6. У посудину налили три рідини, які не змішуються, — ртуть, воду, гас (рис. 3). Потім у посудину опустили три кульки: сталеву, пінопластову та дубову. Як розташувалися шари рідин у посудині? Визначте, де яка кулька. Відповіді поясніть.

Рис. 3

7. Визначте об’єм зануреної у воду частини машини-амфібії, якщо на неї діє архімедова сила 140 кН. Якою є маса машини-амфібії?

8. Складіть задачу, обернену до задачі, розглянутої в параграфі, та розв’яжіть її.

9. Установіть відповідність між густиною тіла, яке плаває у воді, і частиною цього тіла, що перебуває над поверхнею води.

  • А pт = 400 кг/м3
  • Б pт = 600 кг/м3
  • В pт = 900 кг/м3
  • Г pт = 1000 кг/м3
  • 1 0
  • 2 0,1
  • 3 0,4
  • 4 0,6
  • 5 0,9

10. Прилад для вимірювання густини рідин називають ареометром. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтесь про будову ареометра та принцип його дії. Напишіть інструкцію, як користуватись ареометром.

11. Заповніть таблицю. Вважайте, що в кожному випадку тіло повністю занурене в рідину.

Фізичні величини

Формули для розрахунку шуканих величин

Маса тіла

Об’єм тіла

Густина тіла

Густина рідини

Архімедова сила

20 кг

0,008 м3

1000 кг/м3

4000 кг/м3

900 кг/м3

180 Н

100 г

0,4 г/см3

2 Н

Експериментальне завдання

«Картезіанський водолаз». Зробіть фізичну іграшку, ідею якої придумав французький вчений Рене Декарт. У пластикову банку, яка щільно закривається кришкою, налийте воду і помістіть туди отвором до низу невелику мензурку (або маленьку склянку з-під ліків), частково заповнену водою (див. рисунок). Води в мензурці має бути стільки, щоб мензурка ледь піднімалася над поверхнею води в банці. Щільно закрийте банку і натисніть на її бічні стінки. Прослідкуйте за поведінкою мензурки. Поясніть дію цього пристрою.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.