Чому не всі предмети тонуть

Різні предмети в рідини поводяться по-різному. Одні тонуть, інші залишаються на поверхні і плавають. Чому так відбувається, пояснює закон Архімеда, відкритий ним при вельми незвичайних обставинах і став основним законом Паскаля.

Як Архімед відкрив свій закон

Легенда розповідає нам, що Архімед відкрив свій закон випадково. І цьому відкриттю передувало наступна подія.

Цар Сіракуз Гиерон, що правив в 270-215 рр до н.е. запідозрив свого ювеліра в тому, що той підсипав в замовлену йому золоту корону кілька срібла. Щоб розвіяти сумніви, він попросив Архімеда підтвердити або спростувати свої підозри. Як істинного вченого, Архімеда захопила ця задача. Для її вирішення потрібно було визначити вагу корони. Адже якщо в неї підмішано срібло, то її вага відрізнявся б від того, як якщо б вона була зроблена з чистого золота. Питома вага золота був відомий. Але як обчислити об'єм корони? Адже вона мала неправильну геометричну форму.

Згідно з легендою, одного разу Архімед, приймаючи ванну, розмірковував над завданням, яке йому належало вирішити. Несподівано вчений звернув увагу на те, що рівень води у ванні став вище після того, як він в неї занурився. Коли він піднявся, рівень води знизився. Архімед зауважив, що своїм тілом витісняє з ванни якусь кількість води. І обсяг цієї води дорівнював обсягу його власного тіла. І тут він зрозумів, як вирішити задачу з короною. Достатньо лише занурити її в посудину, наповнений водою, і виміряти обсяг витісненої води. Кажуть, що він так зрадів, що з криком «Еврика!» ( «Знайшов!») Вискочив з ванни, навіть не одягнувшись.

Чи так це було насправді чи ні, значення не має. Архімед знайшов спосіб вимірювання об'єму тіл зі складною геометричною формою. Він вперше звернув увагу на властивості фізичних тіл, які називають щільністю, зіставивши їх не один з одним, а з вагою води. Але найголовніше, їм було відкрито принцип плавучості.

закон Архімеда

Отже, Архімед встановив, що тіло, занурене в рідину, витісняє такий обсяг рідини, який дорівнює обсягу самого тіла. Е слі в рідину занурюється тільки частина тіла, то воно витіснить рідину, об'єм якої буде дорівнює обсягу тільки тієї частини, яка занурюється.

А на саме тіло в рідині діє сила, яка виштовхує його на поверхню. Її величина дорівнює вазі витісненої ним рідини. Цю силу називають силою Архімеда.

Для рідини закон Архімеда виглядає так: на тіло, занурене в рідину, діє виштовхуюча сила, спрямована вгору, і рівна вазі витісненої цим тілом рідини.

Величина сили Архімеда обчислюється таким чином:

де ρ - щільність рідини,

ɡ - прискорення вільного падіння

V - об'єм зануреного в рідину тіла, або частину обсягу тіла, що знаходиться нижче поверхні рідини.

Сила Архімеда завжди прикладена до центру тяжіння обсягу і спрямована протилежно силі тяжіння.

Слід сказати, що для виконання цього закону необхідно дотримуватися одна умова: тіло або перетинається з кордоном рідини, або з усіх боків оточене цією рідиною. Для тіла, яке лежить на дні і герметично стосується його, закон Архімеда не діє. Так, якщо ми покладемо на дно кубик, одна з граней якого буде щільно стикатися з дном, закон Архімеда для нього ми не зможемо застосувати.

Силу Архімеда називають також виштовхує силою.

Ця сила за своєю природою - сума всіх сил тиску, що діють з боку рідини на поверхню тіла, зануреного в неї. Виштовхуюча сила виникає через різницю гідростатичного тиску на різних рівнях рідини.

Розглянемо цю силу на прикладі тіла, що має форму куба або паралелограма.

Закон Архімеда діє і для газів. Але в цьому випадку виштовхує сила називається підйомної, а для її обчислення щільність рідини у формулі замінюють на щільність газу.

Умова плавання тіла

Від співвідношення значень сили тяжіння і сили Архімеда залежить, чи буде тіло плавати, тонути або спливати.

Якщо сила Архімеда і сила тяжіння рівні за величиною, то тіло в рідині перебуває в стані рівноваги, коли воно не спливає і не занурюється. Кажуть, що воно плаває в рідині. В цьому випадку FT = FA.

Якщо ж сила тяжіння більше сили Архімеда, тіло занурюється, або тоне.

А якщо значення сили тяжіння менше сили Архімеда, тіло спливає. Це відбувається, коли FT ˂FA.

Але спливає воно не нескінченно, а лише до того моменту, поки сила тяжіння і сила Архімеда незрівняються. Після цього тіло буде плавати.

Чому не всі тіла тонуть

Якщо покласти в воду два однакових за формою і розмірами бруска, один з яких зроблений з пластмаси, а інший зі сталі, то можна побачити, що сталевий брусок потоне, а пластмасовий залишиться на плаву. Так само буде, якщо взяти будь-які інші предмети однакових розмірів і форми, але різні за вагою, наприклад, пластмасовий і металевий кульки. Металева кулька піде на дно, а пластмасовий буде плавати.

Але чому ж поводяться по-різному пластмасовий і сталевий бруски? Адже їх обсяги однакові.

Так, обсяги однакові, але самі бруски зроблені з різних матеріалів, які мають різну щільність. І якщо щільність матеріалу більша за густину води, то брусок потоне, а якщо менше - буде спливати до тих пір, поки не виявиться на поверхні води. Це справедливо не тільки для води, але і для будь-якої іншої рідини.

Якщо позначити щільність тіла Pt. а щільність середовища, в якій воно знаходиться, як Ps. то якщо

Pt ˃ Ps (щільність тіла більша за густину рідини) - тіло тоне,

Pt = Ps (щільність тіла дорівнює щільності рідини) - тіло плаває в рідині,

Pt ˂ Ps (щільність тіла менше щільності рідини) - тіло спливає, поки не виявиться на поверхні. Після чого воно плаває.

Чи не виконується закон Архімеда і в стані невагомості. В цьому випадку відсутній гравітаційне поле, а, значить, і прискорення вільного падіння.

Властивість тіла, зануреного в рідину, залишатися в рівновазі, що не спливаючи і не занурюючись далі, називається плавучістю.