§ 36. Плавання тіл

Згідно із законом Архімеда, на всі тіла, занурені в рідину, діють виштовхувальні сили, значення яких залежать від об’ємів цих тіл і густини рідини. Чому ж тоді одні тіла тонуть у рідині, а інші спливають?

Плавання тіл
Судноплавство

Плавання тіл. І сила тяжіння, і архімедова (виштовхувальна) сила для одного й того самого тіла залежать тільки від густини рідини і густини тіла (F_тяж = p_тgV_т і F_A = p_тgV_т). Очевидно, що сила тяжіння більша за архімедову тоді, коли густина тіла більша за густину рідини. І навпаки, сила тяжіння менша за архімедову, коли густина тіла менша за густину рідини. Знаючи густину тіла і густину рідини, можна передбачити, як поводитиме себе тіло в рідині:

...якщо густина тіла більша за густину рідини, p_т > р_p, то воно тоне;

...якщо густина тіла дорівнює густині рідини, p_т = р_p, то тіло не тоне і не спливає;

...якщо густина тіла менша за густину рідини, p_т< р_p, то тіло спливає.

Розглянемо останній випадок докладніше. Коли тіло, що спливає, досягає поверхні рідини, то при дальшому його русі вгору архімедова сила зменшуватиметься. Чому? Тому, що зменшуватиметься об’єм зануреної частини тіла, а архімедова сила дорівнює вазі рідини в об’ємі зануреної частини тіла. Коли архімедова сила дорівнюватиме силі тяжіння тіла, то тіло зупиниться і плаватиме на поверхні рідини, частково занурившись у неї.

Цей висновок легко перевірити на досліді.

У відливну посудину наливають воду до рівня бічної трубки. Після цього в посудину занурюють плаваюче тіло (рис. 3.77), попередньо зваживши його в повітрі. Занурившись у воду, тіло витісняє об’єм води, який дорівнює об’єму зануреної частини тіла. Зваживши цю воду, бачимо, що її вага (архімедова сила) дорівнює силі тяжіння, яка діє на плаваюче тіло, або вазі цього тіла у повітрі.

Рис. 3.77. Коли тіло плаває у рідині, то вага витісненої ним рідини дорівнює вазі цього тіла в повітрі

Виконавши такі самі досліди з будь-якими іншими тілами, що плавають у різних рідинах, - воді, спирті, у розчині солі, можна впевнитись, що коли тіло плаває у рідині, то вага витісненої ним рідини дорівнює вазі цього тіла в повітрі.

Рис. 3.78. Айсберг

Рис. 3.79. Глибина занурення тіла залежить від його густини

Усім відомо, що лід плаває на поверхні води, оскільки його густина менша за густину води (рис. 3.78). Чим менша густина тіла порівняно з густиною рідини, тим менша його частина, занурена в рідину. Тож можете порівняти, яка частина айсберга перебуває над водою, а яка під водою.

Чим менша густина тіла порівняно з густиною рідини, тим менша його частина занурена в рідину (рис. 3.79).

Середня густина живих організмів, які населяють водне середовище, мало відрізняється від густини води, тому їхня вага майже повністю врівноважується архімедовою силою. Для того, щоб регулювати глибину занурення, у риб є плавальний міхур, об’єм якого може змінюватись. Коли риба за допомогою м’язів занурюється на велику глибину і тиск води на неї збільшується, міхур стискається, об’єм тіла риби зменшується і вона не виштовхується вгору, а плаває на глибині.

Судноплавство. Судна, які плавають по річках, озерах і морях, збудовані з різних матеріалів неоднакової густини (рис. 3.80). 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.

Рис. 3.80. Теплохід

Глибину, на яку судно занурюється у воду, називають осадкою. Найбільшу допустиму осадку позначають на корпусі судна червоною лінією, яка називається ватерлінією. Вагу витісненої судном води, що дорівнює силі тяжіння судна з вантажем, називають водотоннажністю судна.

Головне у цьому параграфі

Знаючи густину тіла і густину рідини, можна передбачити, як поводитиме себе тіло в рідині:

...якщо густина тіла більша за густину рідини, p_т > p_p, то воно тоне;
...якщо густина тіла дорівнює густині рідини, p_т= p_p, то тіло не тоне і не спливає;
...якщо густина тіла менша за густину рідини, p_т< p_p, то тіло спливає.

Плавання суден ґрунтується на тому, що вага води, яку витісняє підводна частина судна, дорівнює вазі судна з вантажем у повітрі або силі тяжіння, що діє на судно з вантажем.

Запитання для самоперевірки

1. Сформулюйте умови плавання тіл.
2. На чому ґрунтується плавання суден?
3. Що таке ватерлінія?

Вправа 22

1(с). Як зміниться осадка корабля, коли він перейде з річки в море? Відповідь пояснити.
2(д). Сила тяжіння, яка діє на судно, дорівнює 100 МН. Який об’єм води витісняє це судно?
3(д). Пліт, який пливе по річці, має площу 8 м². Після того, як на нього поклали вантаж, осадка плоту збільшилась на 20 см. Яка вага цього вантажу?
4(д). Вантажне судно, занурене в прісну воду до ватерлінії, виштовхує 15 000 м³ води. Вага судна 5 • 10⁷Н. Визначити вагу вантажу.
5(д). Яку масу води виштовхує плаваючий дерев’яний брусок довжиною 3 м, шириною 30 см і висотою 20 см? (густина дерева 600 кг/м³).
6(д). Дерев’яний брусок, який плаває на воді, виштовхує 0,72 м³ води, а занурюючись повністю - 0,9 м³. Визначте виштовхувальні сили, які діють на брусок. Поясніть, чому ці сили будуть різними.

Зміст