Фізика. 7 клас. Максимович
§ 26. Дія рідини й газу на занурене в них тіло. Архімедова сила
Чи пробували ви занурити м’яч під воду? А коло для плавання? Спробуйте! Якась невідома потужна сила не дає вам цього зробити. І навіть якщо вам вдасться, доклавши неймовірних зусиль, занурити м’яч чи коло під воду, вони одразу опиняться на поверхні води, тільки-но ви їх відпустите. З’ясуймо, що ж це за «водяний монстр».
Дізнаймося про...
- виштовхувальну силу;
- визначення виштовхувальної сили;
- закон Архімеда;
- використання сили Архімеда.
1. Виштовхувальна сила
Численні відкриття і винаходи Архімеда були об’єктами особливого подиву людства. Збереглися легенди, що Архімед під час оборони рідного міста Сиракузи від нападу римлян не тільки використовував сконструйовані ним військові машини, а й застосував проти римського флоту увігнуті дзеркала, запалюючи кораблі сфокусованими сонячними променями. Інша легенда розповідає про те, як Архімед перевіряв, чи корона, яку виготовив майстер царю Гієрону, була з чистого золота. У результаті дослідження Архімед зрозумів, як вимірювати об’єми тіл неправильної геометричної форми. На основі цього він відкрив закон про виштовхувальну силу, і його вигук «Еврика» ввійшов у лексику як успіх у відкриттях (мал. 26.1).
Мал. 26.1. Ілюстрація легенди про Архімеда
Визначною працею Архімеда був його твір «Про плаваючі тіла», у якому описано відкритий ним основний закон гідростатики, що згодом назвали законом Архімеда.
Якщо опустити в посудину з водою брусок, то на його грані будуть діяти сили тиску з боку води (мал. 26.2).
Мал. 26.2. Брусок занурений у воду
Сили (F1 і F2), що діють на бічні грані, компенсуються, бо є протилежні за напрямом і рівні за значенням, оскільки площі бічних граней однакові та розташовані на однаковій глибині. Сили (F3 і F4), які діють на верхню і нижню грані бруска, не зрівноважуються. На верхню грань діє сила тиску, зумовлена висотою стовпця h3, а на нижню грань — h4. Так як h4 > h3, то і сила F4 > F3, а рівнодійна сила — це різниця цих двох сил, яка напрямлена в бік більшої сили, тобто вгору. Цю силу і називають виштовхувальною.
Ще звернемо увагу на те, якщо у посудині на початок досліду було води по вінця, то в разі занурення тіла частина води виллється. Об’єм цієї води дорівнює об’єму зануреного у неї тіла.
Така ж сила виникає і в газах. Цю силу ще називають архімедовою силою і вимірюють у ньютонах (Н). Архімедова сила напрямлена з боку рідини (або газу) вертикально вгору і протилежна силі тяжіння. Прикладена ця сила до центра зануреного у рідину тіла або частини тіла, зануреної в рідину (мал. 26.3).
Мал. 26.3. Напрям сили Архімеда
2. Визначення виштовхувальної сили. Закон Архімеда
Виштовхувальну силу можна визначити експериментально. Для цього нам потрібні динамометр, посудина з рідиною та досліджуване
тіло. Спочатку виміряємо вагу тіла у повітрі Р1 (мал. 26.4, а). Потім повністю зануримо тіло у посудину з рідиною і знову виміряємо вагу Р2 (мал. 26.4, б). Архімедова сила — це різниця ваги тіла в повітрі та ваги тіла в рідині:
Fарх = Р1 - P2.
Мал. 26.4. Вага тіла: а — у повітрі; б — у рідині
Здійснивши низку експериментів, було зроблено висновки про залежність виштовхувальної сили від об’єму зануреного тіла, густини рідини та густини тіла.
• Виштовхувальна сила залежить від об’єму зануреного в рідину тіла. Чим більший об'єм зануреного тіла, тим більша виштовхувальна сила.
• Виштовхувальна сила залежить від густини рідини, у яку занурюється тіло. Чим більша густина рідини, у яку занурюється тіло, тим більша виштовхувальна сила.
• Виштовхувальна сила не залежить від густини тіла, яке занурюють у рідину.
Підсумовуючи результати дослідів, формулюємо висновок, який називається законом Архімеда: на тіло, занурене у рідину (або газ), діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини (або газу) в об’ємі зануреної частини тіла:
Fa = ρрgVзан.част.т.
Виштовхувальна сила залежить від густини рідини (або газу) та об’єму зануреної частини тіла і не залежить від густини самого тіла.
Поміркуйте і дайте відповідь
1. Яка сила не дає нам занурити м’яч під воду?
2. Чому ви легко можете підняти великий камінь у морі чи іншій водоймі, а на березі це дуже важко зробити?
3. Два однакових циліндри підвісили до коромисла терезів. Терези зрівноважені, бо маси циліндрів однакові (мал. 26.5). Один циліндр занурюють у посудину з гасом, а другий — у посудину з водою. Чи порушиться рівновага? Якщо так, то в який бік?
Мал. 26.5. Циліндри однакових об’ємів
4. Два циліндри, свинцевий і алюмінієвий, зрівноважені на терезах (мал. 26.6). Чи порушиться рівновага в разі їх занурення у воду? Чому?
Мал. 26.6. Циліндри однакових мас
3. Використання сили Архімеда
Архімедова сила допомагає у воді піднімати важкі предмети. Якщо на дні водойми лежить важке тіло, то щоб виникла виштовхувальна сила, тіло треба припідняти («відліпити») з дна. В іншому разі на нижню частину не буде діяти сила тиску, яка виштовхує тіло.
Знання про виштовхувальну силу потрібні для конструювання човнів, кораблів, катерів та інших плавальних засобів.
На законі Архімеда ґрунтується принцип дії ареометра — приладу для вимірювання густини. Він плаває на різних рівнях у рідинах з різною густиною (мал. 26.7). Ареометр занурюється в рідину доти, доки вага витісненої рідини не зрівняється з його вагою. Він плаває вертикально, бо його колба навантажена свинцевими дробинками.
Мал. 26.7. Ареометри
За допомогою ареометрів контролюють густину електроліту в акумуляторах та густину продуктів харчування.
4. Приклад розв’язування задачі
Задача. Чавунна деталь має вагу 3,5 Н у повітрі. Визначте вагу деталі в разі повного занурення її у гас.
Запам’ятайте
Виштовхувальна (архімедова) сила — це сила, зумовлена різницею тисків на верхню та нижню грані тіла.
Закон Архімеда: на тіло, занурене в рідину (або газ), діє виштовхувальна сила, яка дорівнює вазі рідини (або газу) в об’ємі зануреної частини тіла.
Виштовхувальна сила залежить від густини рідини (або газу) та об’єму зануреної частини тіла, не залежить від густини самого тіла.
Перевірте себе
1. Вага тіла в повітрі становить 1,5 Н, а в разі занурення у воду зменшується до 1,2 Н. Чому дорівнює величина виштовхувальної сили, що діяла на тіло?
2. На тіло об’ємом 600 см3, яке повністю занурене у невідому рідину, діє архімедова сила 4,8 Н. Що це за рідина?
3. Визначте об’єм циліндра, якщо в разі повного занурення його в нафту на нього діє виштовхувальна сила 3,2 Н.
4. Визначте масу срібного браслета, якщо на нього у воді діє виштовхувальна сила 9,5 мН.
Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)
|
Виштовхувальна сила |
Buoyant force |
|
Закон Архімеда |
Archimedes’ principle |
