Фізика. 7 клас. Шут

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 35. Архімедова сила

1. Виштовхувальна сила. З’ясуємо, як діє рідина на занурене у неї тверде тіло. Для прикладу спробуйте занурити м'яч у воду— ви відчуєте досить значну протидію, немовби якась сила виштовхує м’яч з води (рис. 189).

Підвісимо до динамометра картоплину, зафіксуємо його покази (рис. 190, а), а потім опустимо картоплину у воду. Побачимо, що покази динамометра зменшаться (рис. 190, б). Різниця у показах динамометра дорівнює виштовхувальній силі, що діє на тіло.

Яка ж причина виникнення виштовхувальної сили? Якщо тіло занурити в рідину, то на його поверхню діють сили тиску. Оскільки тиск збільшується з глибиною, то сили тиску на нижню частину тіла, будуть більші, ніж на верхню. За рахунок різниці цих тисків і виникає виштовхувальна сила, спрямована вгору.

2. Закон Архімеда. Визначимо величину виштовхувальної сили, що діє на занурене в рідину тверде тіло. Виштовхувальна сила, що діє на тіло А, є рівнодійною сил тиску рідини на його поверхню (рис. 191, а).

Тепер уявимо, що тіло видалене і його місце зайняв об’єм цієї ж рідини, рівний за величиною об’єму тіла А (рис. 191, б). Очевидно, що на поверхню уявно виділеного об’єму діятимуть такі самі сили тиску, як й на тіло А. Це означає, що і рівнодійна сил тиску на тіло А (виштовхувальна сила) дорівнює рівнодійній сил тиску на виділений об’єм. Оскільки виділений об’єм знаходиться у рівновазі, то сили, які на нього діють, компенсуються — це сила тяжіння mg та виштовхувальна сила FA(FA = mg = P). Отже, рівнодійна FA сил тиску на об’єм А дорівнює за величиною вазі витісненого об’єму рідини Р. Оскільки, як було зазначено, виштовхувальна сила для виділеного об’єму співпадає з виштовхувальною силою для тіла А, ми приходимо до закону Архімеда: на тіло, повністю занурене в рідину, діє виштовхувальна сила, яка чисельно дорівнює вазі рідини в об’ємі тіла і спрямована вертикально вгору. Виштовхувальну силу називають архімедовою силою (FA).

Рис. 189. При зануренні м’яча у воду ви відчуєте дію сили, яка виштовхує його з води

Рис. 190. Різниця у показах динамометра при вимірюванні сил, що діють на тіло: а) у повітрі; б) у воді

Виштовхувальна сила прямо пропорційно залежить від густини рідини, у яку занурене тіло, та від об’єму тіла

Рис. 191. Дія сил на тіло, занурене в рідину

Силу Архімеда визначають за формулою:

FA = ppgV,

3. Дослідне визначення архімедової сили. Значення архімедової сили можна знайти за допомогою досліду з важільними терезами (рис. 192).

До коротшої шальки терезів прикріпимо два металеві циліндри однакового об'єму: верхній — порожнистий, нижній — суцільний. Ці циліндри іноді називають «відерцем Архімеда». Зрівноважимо терези. Якщо під нижній циліндр підставити посудину з водою так, щоб він повністю занурився, терези втратять рівновагу: шалька терезів з циліндрами підніметься. Рівновага відновиться, якщо верхній порожній циліндр наповнити водою: це є доказом того, що вага зануреного циліндра зменшилася на вагу витісненої води в об'ємі циліндра. Закон Архімеда ще формулюють так: тіло занурене в рідину, втрачає у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина.

4. Умови плавання тіл. Ви неодноразово спостерігали, що кинутий у воду камінь відразу тоне (рис. 193, а) , а деревина плаває (рис. 193, б).

Закон Архімеда справджується також і для газів. Розрахунок архімедової сили для газів здійснюється так само, як і для рідин

Рис. 192. Визначення архімедової сили за допомогою важільних терезів

Рис. 193. Умови плавання тіл: а) для каменя Fтяж > FA, тому він тоне; б) для деревини Fтяж < FA, тому вона зринає

Виникає запитання: чому одні тіла тонуть, а інші плавають? Як ви вже знаєте, на тіло, занурене в рідину, діють дві сили — сила тяжіння FA(вниз) та архімедова сила FA(вгору). Залежно від співвідношення між цими силами для даного тіла і даної рідини їх рівнодійна може бути спрямована вниз, вгору, а може й дорівнювати нулю. Відповідно до цього тіло або тоне, або зринає, або знаходиться у рівновазі в рідині.

Сформулюємо умови плавання тіл:

  • а) Fтяж > FA — тіло тоне;
  • б) Fтяж < FA — тіло зринає, поки не виконається умова: Fтяж = FA = ppgV;
  • в) Fтяж = FA — тіло знаходиться в рівновазі у рідині.

Кожне тіло, яке плаває на поверхні рідини, занурюється в неї настільки, щоб вага рідини в об'ємі зануреної частини тіла дорівнювала силі тяжіння (рис. 194).

5. Архімедова сила і невагомість. Чи діятиме архімедова сила у космосі? Точніше було б запитати: чи діятиме вона в умовах невагомості? Щоб відповісти на це запитання, дещо поміркуємо. Яка природа архімедової сили, що діє на занурене в рідину тіло? Архімедова сила виникає внаслідок того, що тиск рідини на нижню частину зануреного тіла більший, ніж тиск на верхню частину. Рівнодійна сил тиску, яка діятиме вертикально вгору, і є архімедовою силою.

Якщо ж тіло і рідина, в яку воно занурене, перебувають у стані невагомості, скажімо, на борту космічного корабля з вимкненими двигунами, то тиск з боку шарів рідини, зумовлений їх вагою, буде відсутній, а поняття «вниз», «вгору» втрачають зміст: архімедова сила не виникатиме, FA = 0.

Рис. 194. Вага рідини в об’ємі зануреної частини айсберга дорівнює силі тяжіння

Подумайте і дайте відповідь

  • 1. Як виникає виштовхувальна сила, що діє на тіло, занурене в рідину?
  • 2. Сформулюйте закон Архімеда.
  • 3. Що таке архімедова сила? За якою формулою її можна обчислити?
  • 5. Опишіть дослід, який підтверджує, що виштовхувальна сила дорівнює вазі рідини, витісненої тілом.
  • 6. За якої умови тіло плаває? зринає? тоне?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 35.

  • 1. Чому судно з великою масою плаває, а цвях, який упав у воду, тоне?
  • 2.* Чи залежить виштовхувальна сила, що діє на занурене у рідину тіло, від глибини занурення?
  • 3. На рисунку 195 зображено одне й те саме тіло, що плаває в двох різних рідинах. Яка рідина має більшу густину? Чому? Що можна сказати про вагу цього тіла і виштовхувальну силу в першому і другому випадках?

Рис. 195. Плавання одного і того самого тіла у рідинах з різною густиною

  • 4. Коли в чайнику кипить вода, можна помітити, що з дна чайника піднімаються бульбашки повітря і пари, які по мірі підняття зростають і на поверхні води лопаються. Поясніть, чому піднімаються бульбашки?