Плавание тел

В нашей жизни мы часто видим, как одни предметы плавают на поверхности воды, другие тонут, а некоторые находятся в толще жидкости. Например, деревянная щепка или поплавок остаются на поверхности, кусок льда наполовину погружен в воду, а камень сразу уходит на дно. Почему это происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить закон Архимеда и рассмотреть, какие силы действуют на тело, погружённое в жидкость.

Силы, действующие на тело в жидкости

На тело, находящееся в жидкости (или газе), действуют две силы:

1. Сила тяжести — направлена вниз и равна произведению массы тела на ускорение свободного падения:
   F = mg.

2. Выталкивающая сила (Архимедова сила) — направлена вверх и равна весу вытесненной телом жидкости:
   Fₐ = ρgV,
   где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, V — объём вытесненной жидкости.

Эти две силы противоположно направлены и именно их соотношение определяет, будет ли тело плавать, тонуть или находиться в равновесии.

Условия плавания тел

1. Тело тонет, если сила тяжести больше выталкивающей силы:
   Fтяж > Fₐ.
   Такое бывает, если плотность тела больше плотности жидкости (ρт > ρж). Пример — железо в воде.

2. Тело плавает на поверхности, если сила тяжести меньше выталкивающей:
   Fтяж < Fₐ.
   Это значит, что плотность тела меньше плотности жидкости (ρт < ρж). Пример — дерево, лёд.

3. Тело находится во взвешенном состоянии (не тонет и не всплывает), если силы равны:
   Fтяж = Fₐ,
   то есть плотности жидкости и тела одинаковы (ρт = ρж). Пример — рыба, регулирующая глубину с помощью плавательного пузыря.

Почему корабли из металла не тонут?

Металл плотнее воды, но корабль не сплошной кусок железа — внутри него много воздуха. В результате средняя плотность всего корабля (металл + воздух) становится меньше плотности воды. Поэтому на корабль действует выталкивающая сила, достаточная, чтобы удержать его на поверхности.

Примеры из жизни

• Подводные лодки изменяют свою плавучесть, наполняя или выкачивая воду из специальных балластных цистерн.

• Плаваем мы сами благодаря тому, что средняя плотность человеческого тела близка к плотности воды.

• Воздушные шары и дирижабли поднимаются в воздух по тому же принципу — только вместо жидкости действует воздух, а вместо выталкивающей силы жидкости — сила Архимеда, возникающая в газе.

Решение примера задачи

Задача. Куб из дерева имеет объём 0,002 м³ и плотность 600 кг/м³. Будет ли он плавать в воде (ρ = 1000 кг/м³)? Какую часть куба занимает над водой?

Решение:

1. Вес куба: Fт = mg = ρтVg = 600 * 0,002 * 9,8 = 11,76 Н.

2. Выталкивающая сила при полном погружении: Fₐ = ρж * g * V = 1000 * 9,8 * 0,002 = 19,6 Н.

3. Так как Fₐ > Fт, куб всплывёт.

4. Погружённая часть определяется как Fт / Fₐ = 11,76 / 19,6 = 0,6.
   Значит, 60% куба будет в воде, а 40% — над водой.

Вопросы для самопроверки

1. Какие силы действуют на тело, погружённое в жидкость?

2. От чего зависит выталкивающая сила?

3. В каком случае тело будет плавать на поверхности жидкости?

4. Почему корабль из железа не тонет?

5. Что произойдёт с телом, если его плотность равна плотности жидкости?

6. Как подводная лодка изменяет свою плавучесть?

7. Почему лёд плавает в воде, хотя состоит из того же вещества?

8. Приведи примеры действия закона Архимеда в газах.