Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Плавання і повітроплавання

Як ти вважаєш, хто найбільше цікавиться законом Архімеда? Думаєш, моряки чи дайвери? Або ювеліри, намагаючись вигадати новий метод шахрайства? Можливо. А найбільше цей закон до вподоби дітям. Повітряні кульки, наповнені гелієм, паперові, дерев’яні та пластикові човники, м’яч або порожня пляшка, які допомагають триматися на воді, — усе це «працює» завдяки закону Архімеда. Мабуть, ти вже досконально дослідив цей закон.

Пригадаємо його формулювання точніше.

На будь-яке тіло, занурене в рідину або газ, діє виштовхувальна сила. Щоб її знайти, треба просто розрахувати вагу витісненої цим тілом рідини. За напрямом сила Архімеда протилежна силі тяжіння, що діє на витіснену рідину, і прикладена до її центру мас.

FA = ρp · g · VT,

де ρp — густина рідини, g — прискорення вільного падіння, VT — об’єм тіла.

Наш теплохід нарешті пришвартувався в Одесі. Для занурення з аквалангом нам доведеться разом зі знаряддям відплисти від берега на катері. А на ньому всі люди мають вдягти рятівні жилети.

Дослід 1. «Рятівний жилет»

Візьмемо дві смачненькі мандаринки. А краще — три. Ще буде потрібна чиста посудина з питною водою. Одну мандаринку почистимо повністю, другу — частково, третю залишаємо неочищеною.

Покладемо у воду неочищену мандаринку. Виявляється, вона добре плаває!

Зануримо поруч із нею очищену. Вона тоне! Мандаринка, очищена частково, буде перебувати в стані байдужої рівноваги — не плаває і не тоне. Як це пояснити?

Розбір досліду

На мандаринку в рідині діють дві сили — сила тяжіння й виштовхувальна сила. Вони спрямовані протилежно, і від того, яка з них більша, залежить, буде тіло плавати чи тонути. Якщо густина тіла більша за густину рідини, то тіло тоне. Якщо густини однакові, то тіло плаватиме, повністю занурившись у рідину. А якщо густина тіла менша, то тіло плаватиме на поверхні.

Отже, густина очищеної мандаринки виявилася більшою за густину води, а неочищеної — меншою. Справа в тому, що сік містить кислоту, густина якої більша за густину води. А шкурка буде грати роль рятівного жилета. Тож мандаринка, яка скинула тільки частину жилета, може мати «нульову плавучість».

Тепер мандаринки можна з’їсти.

Дослід 2. «Мертве море»

Тепер зробимо такий самий дослід, тільки з яйцем. У звичайній воді воно тоне. Якщо додати у воду солі, то нічого не зміниться, тому що багато солі у воді не розчиниться. А от якщо зробити насичений сольовий розчин (закип’ятити пів літра води з 4 столовими ложками солі, а потім охолодити), то яйце спливе.

Розбір досліду

Відомі фотографії з Мертвого моря, де людина, сидячи на воді, читає газету, зумовлені тим, що густина сольового розчину в ньому майже в півтора рази більша, ніж у звичайної води.

Дослід 3. «Coca-Cola»

Тепер спробуємо «втопити» дві баночки кока-коли: одну — звичайну Coca-Cola, а другу — Coca-Cola Zero. Виявляється, що звичайна тоне, a Coca-Cola Zero — ні.

Розмір досліду

У склад звичайного напою Coca-Cola входить 35 грамів цукру, а в Coca-Cola Zero — підсолоджувач. Штучних підсолоджувачів потрібно в багато разів менше, ніж звичайного цукру, тому їх кількість зовсім мала. Тож середня густина рідини звичайної Coca-Cola більша за густину води, а рідини Coca-Cola Zero — менша.

Дослід 4. «Досліджуємо силу Архімеда»

Скористаємось тією самою пляшкою без дна з повітряною кулькою, яку ми виготовили для дослідження тиску легенів. Тепер перевернемо її так, щоб кулька була знизу, і зануримо в посудину з водою (див. с. 92).

На деякій глибині занурення повітряна кулька раптом втягнеться всередину пляшки. При цьому сила пружності оболонки кульки змінить напрямок на протилежний. Сила повного гідростатичного тиску врівноважує силу тяжіння води, що знаходиться в пляшці, і силу пружності оболонки кульки.

Розбір досліду

Сила Архімеда викликана тим, що на тіло впливає гідростатичний тиск. За законом Паскаля тиск однаково передається в усі боки й залежить тільки від глибини. Тож якщо подивитися на рівненький брусочок (прямокутний паралелепіпед), то сила тиску на бічні поверхні буде однаковою, але спрямованою протилежно, тобто скомпенсованою. А от сили тиску на верхню й на нижню поверхні будуть відрізнятися за рахунок різної глибини занурення поверхонь у рідину.

Отже, сила Архімеда, як і гідростатичний тиск, викликана силою тяжіння. Ми вже розглядали таке явище, як конвекція. Тепла вода і повітря піднімаються вгору, а холодні опускаються вниз. Це відбувається тому, що при підвищенні температури тіла розширюються, їхня густина стає меншою. Ми вже розглядали атмосферні явища, до яких веде сила Архімеда (вітри, течії та інші). Пригадайте тепловий насос! У системах опалення гаряча вода і повітря циркулюють також за рахунок сили Архімеда, тому опалювальні прилади розташовують ближче до підлоги.

До речі, ти знаєш, яка доля чекає на повітряну кульку з гелієм, коли ти відпускаєш її в небо? Гелій легший за повітря приблизно у 8 разів. Оскільки сила Архімеда більша за силу тяжіння, то кулька буде підніматися все вище й вище. А що далі?

Кулька перестане підніматися і зупиниться на певній висоті тому, що на цій висоті густина повітря зовні кульки стане такою самою, як середня густина газу всередині. До того ж зі збільшенням висоти атмосферний тиск падає, а кількість газу в кульці залишається такою ж. Ми ж робили мембрану з кульки! Матеріал оболонки починає розтягуватися. Що далі? По-перше, кулька може лопнути і впасти на землю. А якщо матеріал міцний, то кулька з часом припинить підніматися і зупиниться на певній висоті, адже густина повітря ззовні кульки стане такою самою, як густина газу всередині. Але на досягнутій висоті кулька не залишиться: за рахунок дифузії маленькі атоми гелію будуть виходити через оболонку, і врешті-решт кулька таки впаде на землю.

Цікавий факт

Коли ти запускаєш повітряну кульку в небо, ти маєш пам'ятати дві речі. По-перше, через деякий час кулька обов'язково впаде на землю. Це забруднює нашу природу, є небезпечним для птахів і тварин, які можуть з'їсти кульку і загинути. Відома історія про те, як у 1986 році в США свято перетворилося на трагедію. Півтора мільйони гелієвих кульок забруднили річки та озера, зупинили авіасполучення, збільшили кількість ДТП.

По-друге, гелію, тобто «сонячного газу», на Землі небагато. Його «відкрили» під час вивчення сонячного випромінювання. Газ, який ми випускаємо разом із кульками, піднімається вгору й назад уже не повертається. У деяких українських науково-дослідних інститутах гелій використовують для досліджень за низьких температур. Спеціалізовані лабораторії, наприклад, у Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, обладнані газгольдерами. Це такі спеціальні ємності, у які після дослідів повертають гелій.

Дослід 5. «Картезіанський дайвер»

Картезіанський дайвер — це невелика посудина (пробірка, піпетка), у якої центр мас знаходиться ближче до відкритого горлечка. Ми зробили з пластикових пляшок «хлопчика» й «дівчинку», щоб подивитися, як вони будуть пірнати.

Ми помістили їх у пляшку з водою. Вони чимось схожі на водолазний дзвін. Оскільки всередині пляшок повітря, наші дайвери будуть плавати на поверхні. Для занурення достатньо стиснути пляшку пальцями.

Відео

Розбір досліду

Коли ми стискаємо пляшку, збільшується тиск і повітря, і води. Це призводить до того, що повітря всередині дайвера теж стискається і туди заходить більше води. За рахунок цього середня густина вмісту пляшки збільшується, і дайвер занурюється.

Отже, щоб тіло могло плавати, його густина має бути меншою за густину рідини. А яка середня густина тіла людини? Вона весь час змінюється, бо ми дихаємо. Під час вдиху наші легені розширюються і густина тіла зменшується, під час видиху — навпаки. Густина води (прісної) дорівнює 1000 кг/м3, а густина тіла може змінюватися від 940 кг/м3 до 1070 кг/м3. Тому людина може і плавати, і пірнати. До речі, у морі плавати легше, бо густина води в ньому більша: кажуть, що морська вода краще тримає людину.

Дослід 6. «Порада для плавця»

Зробимо іграшку «плавець». Візьмемо два однакових шприци, витягнемо резинові поршні і склеїмо з них пробку. Вставимо в неї ближче до верхньої частини дріт довжиною приблизно 7 см. Конус шприца, на який прикріплюють голку, треба залити термоклеєм для герметичності. Усередину шприца помістимо щось важке (гайки, пісок тощо).

Із трубочки для пиття виготовимо дві повітряні камери довжиною по 8 см. Для цього з обох кінців їх треба запаяти. З одного боку це можна зробити праскою на довжині приблизно 1 см. Щоб не зіпсувати праску, на трубку й під неї доцільно покласти папір. У цю частину ми вставимо дріт. З іншого боку трубку можна просто нагріти запальничкою та стиснути плоскогубцями.

Тепер зберемо таку конструкцію, як на фото (див. с. 96).

Закриємо шприц пробкою та прилаштуємо до нього «руки» (повітряні камери) за допомогою дроту. Тепер можна «поплавати». Спочатку піднімемо «руки» вгору. Плавець починає тонути, тобто занурюється з «головою». Але варто «руки» опустити, як він спливає.

Розбір досліду

Цей дослід вдасться відтворити, лише якщо середня густина плавця менша за густину води. Тут має значення розподіл густини: вона більша в нижній частині плавця і менша — у повітряних камерах. Отже, коли «руки» підняті вгору, менша частина повітряних камер знаходиться у воді й виштовхувальна сила менша. «Голова» «плавця» опинилася під водою, тому він навіть не може покликати на допомогу. А от якщо «руки» опустити, «голова» опиниться над водою.

Яку пораду можна дати людині, що не вміє плавати? По-перше, вести себе на воді обережно й не заходити на глибину! По-друге, якщо вже так вийшло, розташувати тіло майже вертикально, опустити руки у воду й відштовхуватися від води ногами.

Повернемося до нашої подорожі. Уявіть, що ми таки потрапили в дайвінг-клуб. Перед зануренням необхідно перевірити й надягти знаряддя. Яке саме?

По-перше, це мокрий гідрокостюм. Чому мокрий? Справа в тому, що він виготовлений із пористого матеріалу — неопрену, тобто з гумової тканини, що містить тисячі бульбашок із повітрям. Коли людина заходить у воду, у костюм потрапляє вода. Вона зігрівається за рахунок тепла тіла й більше майже не циркулює.

По-друге, це має бути акваланг із двома манометрами: один — для вимірювання глибини, другий — для вимірювання тиску повітря в балонах. Серед обладнання дайвера мають бути вантажний пояс і компенсатор. Вони призначені для регулювання плавучості. Справа в тому, що гідрокостюм легкий, і без вантажного пояса людина не зможе зануритися. Пояс допомагає спуститися під воду, а коли на глибіні тиск призводить до стискання гідрокостюму, потрібен компенсатор. Він схожий на рятівний жилет, у який дайвер може додати трохи повітря з балонів. Регулюючи об’єм повітря в компенсаторі, людина регулює середню густину тіла й виштовхувальну силу. Щоб зануритися у воду, потрібно зменшити об’єм повітря в компенсаторі, а щоб піднятися — збільшити. Така собі підводна «повітряна кулька».

Задачі

  • 1. До коромисла терезів підвісили дві кульки однакової маси: мідну й сталеву, терези при цьому перебувають у рівновазі. Чи зміниться рівновага терезів, якщо опустити їх у воду?
  • 2. Знайди максимальну масу вантажу, яку може підняти повітряна куля, заповнена гелієм, якщо її об’єм 5 м3, а маса оболонки — 560 г. Як зміниться маса вантажу, якщо кулю наповнити воднем? Густина повітря — 1,29 кг/м3. Густина гелію у 7,25, а водню — у 14,5 раз менша за густину повітря.
  • 3. Оленка, Костя та Сашко навесні прочитали книгу Джерома Клапки «Троє у човні, якщо не рахувати собаки» і вирішили мандрувати. Оскільки човна в них не було, вони збудували дерев’яний пліт на подушці з пластикових пляшок. Знайшли 10 соснових дощок довжиною по 2,5 метри, шириною 20 см і товщиною З см. Яка мінімальна кількість 5-літрових пляшок їм знадобиться, щоб дерев’яний настил під час подорожі залишився сухим? Густина сосни — 700 кг/м3, маса Оленки — 47 кг, Кості — 54 кг, Сашка — 45 кг, такси Пірата — 14 кг, вантажу — 17 кг, а маса однієї пляшки — лише 90 г.

Цікаві факти

А як плавають риби? Що вони роблять, коли їм потрібно піднятися вгору або зануритися глибше? У них є такий орган — плавальний міхур. Під час підйому й спуску він автоматично наповнюється газами або звільняється від них. Гази риба витягує з власних тканин.

Якщо міхур з'єднаний із кишечником (наприклад, у щуки, оселедця, лосося, сома), то гази виходять через рот у воду. Коли спливає зграя риб, то спочатку на поверхні з'являються бульбашки.

Якщо міхур герметичний (у кефалі, наваги, тріски), то гази спочатку надходять у кров, а потім через зябра потрапляють у воду. Такі риби спливають повільніше. Якщо витягнути кефаль із великої глибини, риба роздується, тому що тиск у міхурі великий. А от у акул, які часто змінюють глибину занурення, плавального міхура взагалі немає.

Цар Гіерон доручив Архімеду перевірити чесність майстра, який виготовив йому золоту корону: хоча корона важила стільки, скільки було відпущено на неї золота, у царя виникла підозра, що туди додали дешевші метали. Архімед лежав у ванні і розмірковував над цією проблемою. Коли йому прийшло рішення, він вискочив із ванни й побіг у кімнату по корону, щоб негайно визначити втрату її ваги у воді.

Але Архімеду, який відкрив свій закон, для виконання доручення царя цей закон був зовсім не потрібний. Учений просто мав визначити об'єм корони у воді, а потім зважити корону. Замість цього він відкрив закон про виштовхувальну силу.

У романі «П'ять тижнів на повітряній кулі» Жуля Верна троє мандрівників подорожували Африкою на аеростаті, наповненому воднем. Цей газ нескладно отримати. Він майже в 15 разів легший за повітря, але дуже небезпечний: під час з'єднання з киснем може вибухнути. Через це його майже не використовують у повітряних кулях.

Політ на повітряній кулі — один із видів сучасних розваг. Замість гелію або водню часто використовують тепле повітря, яке легше за холодне і теж може підняти вантаж. До речі, наприкінці роману через аварійну ситуацію героям довелося-таки скористатися цим способом. Водень став витікати з оболонки, і вони нагріли повітря в кулі, щоб перелетіти через ріку Сенегал.

Але повітряна куля — це не тільки розвага. На всій планеті щоденно випускають метеозонди, тобто аеростати, наповнені гелієм. Вони призначені для вивчення атмосфери та необхідні для складання прогнозу погоди. За допомогою зонда метеорологи дізнаються про температуру й вологість повітря, швидкість і напрям вітру на різних висотах. Зонди піднімаються на висоту до 50 км, де їхня оболонка розривається, як і у звичайної кульки.

Більшість літальних апаратів, які використовує людство, піднімається в небо і рухається завдяки взаємодії з повітрям. Винятком є космічні кораблі, які пересуваються в космосі (безповітряному просторі) за рахунок викидання струменя газу, що утворюється під час згорання палива.

Для легких апаратів підйомною силою є сила Архімеда. А для літака — різниця тисків із нижнього та верхнього боку крила. Ця сила виникає під час руху тіла з великою швидкістю і зумовлена формою крила й кутом його нахилу, так званим кутом атаки. Тому, на відміну від повітряної кулі, літак «просто висіти» в повітрі не може. Швидкість сучасних пасажирських літаків — від 500 до 900 км/год, а деякі військові літаки розвивають швидкість до 3500 км/год. В обох випадках — і для легких, і для важких літальних апаратів — підйомну силу створює різниця тисків повітря, на якому вони «лежать», як на повітряній подушці.

На початку XX століття одночасно з розробкою й будівництвом літаків почалося будівництво дирижаблів. Цей літальний апарат легший за повітря, його оболонка наповнена гелієм, воднем або теплим повітрям. Існував проект створення вакуумного дирижабля, у якому відкачується повітря з жорсткої оболонки. Різниця густин оточуючого дирижабль повітря й дуже розрідженого повітря всередині дирижабля створює підйомну силу. На відміну від літака, дирижабль може літати з невеликою швидкістю.

У 1929 році дирижабль «Граф Цеппелін» здійснив кругосвітній переліт із трьома посадками. За 20 днів він подолав понад 34 тисячі кілометрів із середньою швидкістю 115 км/год.

Перша епоха пасажирських дирижаблів закінчилася в 1937 році, коли зазнав аварії німецький пасажирський дирижабль-лайнер «Гінденбурґ». Але наприкінці XX століття інтерес до дирижаблів відновився. Замість водню тепер використовують гелій. У деяких країнах Європи і в США розробляються проекти нових сучасних і безпечних дирижаблів.