Действие жидкости и газа на погруженное тело

Мы каждый день сталкиваемся с явлениями, связанными с действием жидкости и газа на тела. Когда вы опускаете руку в воду, она кажется «легче». Воздушный шарик, наполненный гелием, поднимается вверх. Почему это происходит? Всё дело в выталкивающей силе, действующей на тело, погружённое в жидкость или газ.

1. Давление жидкости и газа

Жидкости и газы оказывают давление на все тела, находящиеся в них. Давление передаётся во все стороны одинаково и увеличивается с глубиной. На тело, погружённое в жидкость, давление действует снизу вверх сильнее, чем сверху вниз, ведь нижние слои воды испытывают большее давление из-за веса столба жидкости.

Именно эта разность давлений и создаёт силу, выталкивающую тело из жидкости.

2. Выталкивающая сила (сила Архимеда)

Силу, с которой жидкость или газ действуют на погружённое в них тело, называют выталкивающей силой или силой Архимеда.

Эта сила была открыта древнегреческим учёным Архимедом более двух тысяч лет назад. Согласно закону Архимеда:

На всякое тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости (или газа).

Формула силы Архимеда:

$display style F subscript A equals rho times g times V$

где

$F subscript A$ — выталкивающая сила (в ньютонах, Н),
$rho$ — плотность жидкости или газа (в кг/м³),
$g$ — ускорение свободного падения (9,8 м/с²),
$V$ — объём тела или его погружённой части (в м³).

3. Пример действия выталкивающей силы

Попробуйте опустить в воду деревянный брусок. Он всплывает — значит, сила Архимеда больше силы тяжести, действующей на брусок.
А если опустить камень — он тонет, потому что его масса велика, и сила тяжести больше выталкивающей силы.

Таким образом:

если $F subscript A greater than F subscript T$ — тело всплывает;
если $F subscript A equals F subscript T$ — тело плавает внутри жидкости;
если $F subscript A less than F subscript T$ — тело тонет.

4. Примеры из жизни

Корабли плавают, хотя сделаны из стали, потому что их форма позволяет вытеснять большой объём воды — выталкивающая сила компенсирует тяжесть.
Воздушные шары поднимаются вверх, так как воздух внутри них легче окружающего воздуха.
Подводные лодки регулируют плавучесть, заполняя или выкачивая воду из специальных балластных отсеков.

5. Решение задач

Задача 1.
Определите выталкивающую силу, действующую на деревянный брусок объёмом $0 , 004 text end text text м end text cubed$ , если он полностью погружён в воду.
Плотность воды $rho equals 1000 text end text text кг/м end text cubed$

$Решение:$

$display style F subscript A equals rho g V equals 1000 times 9 , 8 times 0 , 004 equals 39 , 2 text end text text Н end text$

Ответ: 39,2 Н.

Задача 2.
Какую силу нужно приложить, чтобы удержать в воде металлический шар массой $3 text end text text кг end text$ и объёмом $0 , 0004 text end text text м end text cubed$ ?

Решение:

Сила тяжести:

$display style F subscript T equals m g equals 3 times 9 , 8 equals 29 , 4 text end text text Н end text$

Выталкивающая сила:

$display style F subscript A equals rho g V equals 1000 times 9 , 8 times 0 , 0004 equals 3 , 92 text end text text Н end text$

Сила, которую нужно приложить, чтобы удержать шар:

$display style F equals F subscript T minus F subscript A equals 29 , 4 minus 3 , 92 equals 25 , 48 text end text text Н end text$

Ответ: 25,48 Н.

Задача 3.
Воздушный шар объёмом $10 text end text text м end text cubed$ наполнен гелием (плотность $0 , 18 text end text text кг/м end text cubed$ ). Плотность воздуха $1 , 29 text end text text кг/м end text cubed$ . Какова подъёмная сила шара?

Решение:

$display style F subscript A equals g V not stretchy left parenthesis rho subscript text возд end text end subscript minus rho subscript text гелия end text end subscript not stretchy right parenthesis equals 9 , 8 times 10 times not stretchy left parenthesis 1 , 29 minus 0 , 18 not stretchy right parenthesis equals 9 , 8 times 10 times 1 , 11 equals 108 , 78 text end text text Н end text$

Ответ: 108,78 Н.

6. Выводы

На всякое тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вверх.
Сила Архимеда равна весу вытесненной жидкости или газа.
В зависимости от соотношения сил тяжести и Архимеда тело может всплывать, тонуть или находиться в равновесии.

Вопросы для самопроверки

Почему рука, опущенная в воду, кажется легче?
Как изменится выталкивающая сила, если тело погрузить глубже в жидкость?
От чего зависит сила Архимеда?
Почему корабль из стали не тонет?
Как можно рассчитать выталкивающую силу?
Почему воздушные шары поднимаются вверх?
Что произойдёт, если плотность тела больше плотности жидкости?
Приведите примеры использования силы Архимеда в технике.
Почему подводные лодки могут всплывать и погружаться?
Как измерить силу Архимеда в лабораторных условиях?

Последнее изменение: Суббота, 1 Ноябрь 2025, 12:17