Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 35. Умови плавання тіл

Щоб оцініти, чи достатньо солі в розчині для засолювання м'яса або риби, господарка використовує сире яйце: якщо солі замало, то яйце тоне, а якщо забагато — спливає. Як це пов’язано з конструюванням кораблів, підводних човнів й аеростатів? Дізнаймося!

1. Чому м’яч плаває, а камінь тоне?

По черзі занурюватимемо тіла у воду, а потім відпускатимемо їх без початкової швидкості. Залежно від густини тіла можливі різні варіанти (див. таблицю).

1. Занурення. Тіло починає тонути й врешті опускається на дно посудини. Чому це відбувається? На тіло діють дві сили (рис. 35.1):

1) сила тяжіння F_тяж = m_тg = ρ_тV_тg (оскільки m_т= ρ_тV_т), напрямлена вниз;

2) виштовхувальна сила F_арх = ρ_рідgV_т, напрямлена вгору.

Рис. 35.1. Тіло тоне в рідині, адже сила тяжіння більша за виштовхувальну

Тіло занурюється, тому сила, напрямлена вниз, є більшою: F_тяж > F_арх.

F_т_яж= ρ_тV_тg, F_а_рх = ρ_рідgV_т, тому ρ_тV_тg > ρ_рідgV_т.

Після скорочення маємо:

ρ_т > ρ_рід.

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

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

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

ρ_т - ρ_рід.

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

3. Спливання. Тіло спливає і врешті зупиняється на поверхні, занурившись у рідину частково (рис. 35.2).

Рис. 35.2. Тіло спливає, адже виштовхувальна сила більша за силу тяжіння

Поки тіло спливає, архімедова сила є більшою за силу тяжіння:

F_тяж < F_арх ⇒ ρ_тgV_т < ρ_р_ідgV_т, або:

ρ_т < ρ_рід.

Коли тіло зупиниться, архімедова сила й сила тяжіння будуть зрівноважені:

F_тяж= F_арх.

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

ДОСЛІДЖЕННЯ

Що знадобиться: пластикова банка з кришкою, невелика мензурка або, наприклад, маленька склянка з-під ліків.

У банку налийте воду й помістіть туди отвором донизу мензурку, частково заповнену водою (див. рисунок). Води в мензурці має бути стільки, щоб мензурка ледь підіймалася над поверхнею води в банці. Закрийте банку й натисніть на її бічні стінки. Прослідкуйте за поведінкою мензурки. Поясніть дію цього пристрою. Цю фізичну іграшку, яка має назву «Картезіанський водолаз», придумав французький учений Рене Декарт.

2. Чому існує вираз «як риба у воді»?

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».

У риб із плавальним міхуром таке керування відбувається за рахунок зміни об’єму міхура (рис. 35.3).

Рис. 35.3. Змінюючи об'єм плавального міхура, риба може спливати, плавати всередині рідини або занурюватися

Молюск наутилус, який живе в тропічних морях, може швидко спливати й 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. 35.4) несе із собою в глибину повітряну оболонку на черевці — саме вона дає павуку запас плавучості й допомагає повернутися на поверхню.

Рис. 35.4. Повітряна оболонка дозволяє водяному павукові підійматися з глибини

3. Учимося розв’язувати задачі

А ЯК НАСПРАВДІ?

Середня густина тіла людини трохи перевищує густину води. Це означає, що для того щоб залишатися на поверхні водоймища, треба з'єднати тіло людини із чимось, що має невелику густину. Проте для плавання в Мертвому морі не потрібні жодні допоміжні засоби. Людина може просто лягати на спину та почувати себе на поверхні води так, наче вона в ліжку.

А як насправді? Можливо, варто змінити підсумки цього параграфа?

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 порівняти з густиною води.

Для обчислення густини кулі слід знайти її об’єм та масу.

Маса повітря в кулі є незначною, тому m_ку_лі = m_міді. Об’єм кулі — це об’єм мідної оболонки V_мі_ді та об’єм порожнини V_порожн.

Об’єм оболонки визначимо за масою та густиною міді.

Про густини міді та води дізнаємось із таблиць густин.

Задачу доцільно розв’язувати в поданих одиницях.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Серед кораблів на ходу найбільшими у світі вважаються круїзні лайнери (фото одного з них на початку цього параграфа). А найбільший серед лайнерів — «Ікона морів», що має рекордну довжину — 365 м.

В Україні статус міста має населений пункт, у якому живуть понад 10 тис. мешканців. Якщо «Ікона морів» візьме на борт 51 «зайця», то зможе отримати сертифікат «Українське місто», бо цей лайнер здатен перевозити 7600 пасажирів, а його екіпаж складає 2350 осіб.

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

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. 3. Сформулюйте умову спливання тіла в рідині або газі. Наведіть приклади. 6. Для чого та як мешканці морів і річок змінюють власну густину?

ВПРАВА № 35

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

2. Розташуйте кульки, зображені на рис. 1, за збільшенням густини.

Рис. 1

3. Чи буде брусок, який має масу 120 г і об’єм 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. Якою є маса тіла, якщо його об’єм становить 250 см³?

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

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

А ρ_т = 400 кг/м³

Б ρ_т = 600 кг/м³

В ρ_т = 900 кг/м³

Г ρ_т=1000 кг/м³

1 0

2 0,1

3 0,4

4 0,6

5 0,9

9. Прилад для вимірювання густини рідин називають ареометром. Дізнайтеся про будову та принцип дії ареометра. Напишіть інструкцію, як ним користуватися.

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

Маса тіла, кг	Об’єм тіла, м³	Густина тіла, г/см³	Густина рідини, кг/м³	Архімедова сила, Н	Формули для розрахунку
20	8000		1000
		4	900	180
0,1		0,4		2