плавання тіл
На тіло, що знаходиться всередині рідини, діють дві сили: сила тяжіння, спрямована вертикально вниз, і архимедова сила, спрямована вертикально вгору. Під дією цих сил тіло, якщо спочатку воно було нерухоме, буде рухатися в бік більшої сили. При цьому можливі три випадки:
- Якщо сила тяжіння більше сили Архімеда, то тіло буде опускатися на дно, «тонути»;
- Якщо сила тяжіння дорівнює архимедовой силі, то тіло може перебувати в рівновазі в будь-якому місці рідини;
- Якщо сила тяжіння менше сили Архімеда, то тіло буде підніматися з рідини, «спливати».
Розглянемо останній випадок докладніше.
Коли спливаюче тіло досягне поверхні рідини, то при подальшому його русі вгору архимедова сила буде зменшуватися. Чому? Та тому, що буде зменшуватися обсяг зануреної частини тіла, а архимедова сила дорівнює вазі рідини в об'ємі зануреної частини тіла.
Коли архимедова сила стане рівній силі тяжкості, тіло зупиниться і буде плавати на поверхні рідини, частково занурившись в неї.
Отриманий висновок легко перевірити на досвіді.
У відливної посудину наливають воду до рівня бічної трубки. Після цього в посудину занурюють плаваюче тіло (рис. 139), попередньо зваживши його в повітрі. Опустившись в воду, тіло витісняє обсяг води, що дорівнює об'єму зануреної частини тіла. Зваживши цю воду, знаходять, що її вага (архимедова била) дорівнює силі тяжіння, що діє на плаваюче тіло, або вазі цього тіла в повітрі.
Проробивши такі ж досліди з будь-якими іншими тілами, плаваючими в різних рідинах - в воді, спирті, в розчині солі, можна переконатися, що вага в повітрі плаваючого тіла дорівнює вазі рідини, витісненої тілом.
Легко довести, що якщо щільність суцільного твердого тіла більше щільності рідини, то тіло в такий рідини тоне. Тіло з меншою щільністю спливає в цій рідині. Тіло ж, щільність якого дорівнює щільності рідини, залишається в рівновазі усередині рідини. Шматок заліза, наприклад, тоне у воді, але спливає в ртуті.
Плаває на поверхні води і лід, так як його щільність менше щільності води.
Чим менше щільність тіла в порівнянні з щільністю рідини, тим менша частина тіла занурена в рідину (рис. 140).
Дві незмішувані рідини, наприклад вода і гас, розташовуються в посудині відповідно до своїх плотностями: в нижній частині посудини - більш щільна вода (р = 1000 кг / м3), зверху-легший гас (р = 800 кг / м3).
Щільність живих організмів, що населяють водне середовище, мало відрізняється від щільності води, тому їх вага майже повністю врівноважується архимедовой силою. Завдяки цьому водні тварини не потребують настільки масивних скелети, як наземні. З цієї ж причини еластичні стовбури водних рослин.
Цікавий орган риб - плавальний міхур - володіє помітною - сжимаемостью, тому риба легко змінює обсяг свого тіла і тим самим середню щільність. Завдяки цьому вона може в певних межах регулювати глибину свого занурення.
Питання. 1. Як показати на досвіді, що вага рідини, витісненої плаваючим тілом, дорівнює вазі тіла в повітрі? 2. Чому дорівнює виштовхує сила, яка діє на тіло, яке плаває на поверхні рідини? 3. Коли тіло, що знаходиться в рідині, спливає? плаває? тоне? 4. Як залежить глибина занурення в рідину плаваючого тіла від його щільності? 5. Чим пояснити, що водні тварини не потребують міцних скелети? 6. Яку роль відіграє плавальний міхур у риб?
- На вагах врівноважили відливної посудину з водою 20 (рис. 141, а), В воду опустили дерев'яний брусок. Рівновага ваг спочатку порушилося (рис. 141, б). Але коли вся вода, витіснена плаваючим бруском, витекла з посудини, рівновага терезів відновилося (рис. 141, в). Поясніть це явище.
- Чому плаває важке судно, а цвях, що впав у воду, тоне?
3. На малюнку 142 зображено один і той же тіло, яке плаває в двох різних рідинах. Щільність, який рідини більше? Чому? Що можна сказати про силу тяжіння, що діє на тіло, і архимедовой силі в тому і в іншому випадку?
- Дерев'яний поплавок зі свинцевим вантажем внизу опускають у воду, а потім в гас. І в тій і в іншої рідини поплавок не тоне. В якій з них він занурюється глибше?
- Яйце тоне в прісній воді, але плаває в солоній. Поясніть чому. Поспостерігайте це самі на досвіді
- Зобразіть графічно сили, що діють на тіло, яке плаває на воді, спливаюче на поверхню води, тоне у воді.
- Користуючись таблицею густин 2-4, визначте, які метали будуть плавати в ртуті, а які - тонути.
- Чи буде шматок льоду плавати в бензині? в гасі? в гліцерині?
- У якому порядку розташуються в одній посудині три несмешивающиеся між собою рідини: вода, гас і ртуть? Зробіть відповідний малюнок і поясніть його.
- Як в посудині, що містить воду, гас і ртуть, будуть розташовані три суцільних кульки: корковий, парафіновий і сталевий? Відповідь обґрунтуйте. Зробіть малюнок.
- Французький вчений Декарт (1596-1650) для демонстрацій деяких гидростатических явищ придумав прилад.
Високий скляну посудину (банку) наповнювали водою, залишаючи зверху судини невеликий об'єм повітря. У цю посудину опускали невелику порожню скляну фігурку. Фігурку заповнювали частково водою і частково повітрям, так щоб вона тільки трохи виходила з води. Зверху скляну посудину щільно закривали шматком тонкої шкіри. Натискаючи на цю шкіру, можна було за бажанням змусити фігурку плавати у воді і на воді, а також тонути.
Виготовте такий прилад і виконайте з ним досліди. Фігурку замініть невеликим поплавком, а посудину закрийте, гумової плівкою (рис. 143).
В іншому варіанті такий прилад зображений на малюнку 144. У пляшку повітря вдувають ротом через гумову трубку.
Поясніть дію приладу.
Продемонструйте на цьому приладі закон Паскаля, архимедову силу і закони плавання тел.