Архимедова сила

Введение

Когда мы опускаем руку в воду, держим на ладони мяч или плаваем в бассейне, мы чувствуем, что вода как будто поддерживает нас, не давая утонуть. Почему так происходит? Почему одни предметы — например, дерево или корабль — плавают, а другие — кусок металла — сразу тонут? Эти вопросы занимали людей ещё в древности.
Ответ на них нашёл великий древнегреческий учёный Архимед, живший более двух тысяч лет назад. Он открыл закон, который объясняет, как жидкости и газы действуют на погружённые в них тела. Этот закон получил его имя и называется законом Архимеда.

1. Открытие Архимеда

Легенда рассказывает, что Архимед заметил явление выталкивания, когда принимал ванну. Он увидел, что, погружаясь в воду, его тело теряет вес, и часть воды переливается через край. Так он понял, что вода оказывает выталкивающее действие на тело. В радости Архимед выбежал на улицу, восклицая «Эврика!» — что на греческом значит «Нашёл!».

2. Закон Архимеда

Формулировка:

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

Эта сила называется Архимедовой силой.

Формула для её вычисления:

где:

•  — выталкивающая сила (в ньютонах, Н);

•  — плотность жидкости (или газа), кг/м³;

•  — ускорение свободного падения (≈ 9,8 м/с²);

•  — объём погружённой части тела, м³.

3. Действие Архимедовой силы

На тело, находящееся в жидкости, действуют две силы:

• Сила тяжести , направленная вниз.

• Архимедова сила , направленная вверх.

Если тело тонет, значит .
Если плавает внутри жидкости, то .
Если всплывает, то .

4. Эксперименты Архимеда

Опыт 1. Потеря веса тела в воде

Закрепим тело на динамометре и измерим его вес в воздухе. Затем опустим тело в воду — показания уменьшатся. Разность показаний и есть Архимедова сила.

Опыт 2. Вытесненная жидкость

Если полностью погрузить тело в воду, часть воды выльется. Вес этой вытесненной воды равен выталкивающей силе, действующей на тело.

Опыт 3. Плавающие тела

Деревянный брусок, пластмассовый шарик и металлический гвоздь ведут себя по-разному: первые два плавают, третий тонет. Это показывает, что плавание зависит от плотности тела.

Опыт 4. Воздушный шар

Воздушный шарик с гелием поднимается, потому что воздух плотнее гелия. Воздух выталкивает шар вверх — так же, как вода выталкивает тело.

5. Применение закона Архимеда

• Корабли плавают, хотя сделаны из металла, потому что имеют полые отсеки — их средняя плотность меньше плотности воды.

• Подводные лодки изменяют плавучесть, заполняя или опорожняя балластные баки.

• Воздушные шары и дирижабли поднимаются благодаря меньшей плотности газа внутри оболочки.

• Гидрометры определяют плотность жидкостей по степени погружения.

6. Пример задачи

Задача.
Определите Архимедову силу, действующую на тело объёмом , погружённое в воду. Плотность воды .

Решение:

1. Переведём объём: .

2. Вычислим по формуле:

Ответ: .

7. Значение Архимедовой силы

Благодаря этому закону мы можем объяснить множество явлений природы:

• почему человек чувствует себя легче в воде;

• как рыбы регулируют глубину с помощью плавательного пузыря;

• почему облака «плавают» в атмосфере, а воздушные шары — в небе.

Выводы

1. Архимедова сила возникает из-за разности давлений на верхнюю и нижнюю часть тела в жидкости.

2. Её величина равна весу вытесненной жидкости или газа.

3. От соотношения Архимедовой силы и силы тяжести зависит, будет тело тонуть, плавать или всплывать.

4. Закон Архимеда широко применяется в технике и природе.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое Архимедова сила и кто её открыл?

2. Как направлена эта сила относительно силы тяжести?

3. От каких физических величин зависит выталкивающая сила?

4. Почему тело теряет часть веса в воде?

5. Что произойдёт, если плотность тела меньше плотности жидкости?

6. Как можно измерить Архимедову силу на опыте?

7. Почему корабль из стали не тонет?

8. Как регулируется плавучесть подводной лодки?

9. Чем объясняется подъём воздушного шара?

10. Где в жизни вы встречаетесь с проявлением Архимедовой силы?