Плавание тел

На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и архимедова сила, направленная вертикально вверх. Под действием этих сил тело, если вначале оно было неподвижно, будет двигаться в сторону большей силы. При этом возможны три случая:

1. Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, «тонуть»;
2. Если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости;
3. Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, «всплывать».

Рассмотрим последний случай подробнее.

Когда всплывающее тело достигнет поверхности жидкости, то при дальнейшем его движении вверх архимедова сила будет уменьшаться. Почему? Да потому, что будет уменьшаться объем погруженной части тела, а архимедова сила равна весу жидкости в объеме погруженной части тела.

Когда архимедова сила станет равной силе тяжести, тело остановится и будет плавать на поверхности жидкости, частично погрузившись в нее.

Полученный вывод легко проверить на опыте.

В отливной сосуд наливают воду до уровня боковой трубки. После этого в сосуд погружают плавающее тело (рис. 139), предварительно взвесив его в воздухе. Опустившись в воду, тело вытесняет объем воды, равный объему погруженной части тела. Взвесив эту воду, находят, что ее вес (архимедова била) равен силе тяжести, действующей на плавающее тело, или весу этого тела в воздухе.

Проделав такие же опыты с любыми другими телами, плавающими в разных жидкостях — в воде, спирте, в растворе соли, можно убедиться, что вес в воздухе плавающего тела равен весу жидкости, вытесненной телом.

Легко доказать, что если плотность сплошного твердого тела больше плотности жидкости, то тело в такой жидкости тонет. Тело с меньшей плотностью всплывает в этой жидкости. Тело же, плотность которого равна плотности жидкости, остается в равновесии внутри жидкости. Кусок железа, например, тонет в воде, но всплывает в ртути.

Плавает на поверхности воды и лед, так как его плотность меньше плотности воды.

Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость (рис. 140).

Две несмешивающиеся жидкости, например вода и керосин, располагаются в сосуде в соответствии со своими плотностями: в нижней части сосуда — более плотная вода (р = 1000 кг/м3), сверху—более легкий керосин (р = 800 кг/м3).

Плотность живых организмов, населяющих водную среду, мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почти полностью уравновешивается архимедовой силой. Благодаря этому водные животные не нуждаются в столь массивных скелетах, как наземные. По этой же причине эластичны стволы водных растений.

Интересный орган рыб — плавательный пузырь — обладает заметной — сжимаемостью, поэтому рыба легко меняет объем своего тела и тем самым среднюю плотность. Благодаря этому она может в определенных пределах регулировать глубину своего погружения.

Вопросы. 1. Как показать на опыте, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом, равен весу тела в воздухе? 2. Чему равна выталкивающая сила, которая действует на тело, плавающее на поверхности жидкости? 3. Когда тело, находящееся в жидкости, всплывает? плавает? тонет? 4. Как зависит глубина погружения в жидкость плавающего тела от его плотности? 5. Чем объяснить, что водные животные не нуждаются в прочных скелетах? 6. Какую роль играет плавательный пузырь у рыб?

Упражнения.

1. На весах уравновесили отливной сосуд с водой 20 (рис. 141, а), В воду опустили деревянный брусок. Равновесие весов сначала нарушилось (рис. 141, б). Но когда вся вода, вытесненная плавающим бруском, вытекла из сосуда, равновесие весов восстановилось (рис. 141, в). Объясните это явление.
2. Почему плавает тяжелое судно, а гвоздь, упавший в воду, тонет?

3.На рисунке 142 изображено одно и то же тело, плавающее в двух разных жидкостях. Плотность, какой жидкости больше? Почему? Что можно сказать о силе тяжести, действующей на тело, и архимедовой силе в том и другом случае?

4. Деревянный поплавок со свинцовым грузом внизу опускают в воду, а потом в керосин. И в той и в другой жидкости поплавок не тонет. В какой из них он погружается глубже?
5. Яйцо тонет в пресной воде, но плавает в соленой. Объясните почему. Пронаблюдайте это сами на опыте
6. Изобразите графически силы, действующие на тело, плавающее на воде, всплывающее на поверхность воды, тонущее в воде.
7. Пользуясь таблицей плотностей 2—4, определите, какие металлы будут плавать в ртути, а какие — тонуть.
8. Будет ли кусок льда плавать в бензине? в керосине? в глицерине?
9. В каком порядке расположатся в одном сосуде три несмешивающиеся между собой жидкости: вода, керосин и ртуть? Сделайте соответствующий рисунок и объясните его.
10. Как в сосуде, содержащем воду, керосин и ртуть, расположатся три сплошных шарика: пробковый, парафиновый и стальной? Ответ обоснуйте. Сделайте рисунок.

Задания

1. Французский ученый Декарт (1596—1650) для демонстраций некоторых гидростатических явлений придумал прибор.

Высокий стеклянный сосуд (банку) наполняли водой, оставляя сверху сосуда небольшой объем воздуха. В этот сосуд опускали небольшую полую стеклянную фигурку. Фигурку заполняли частично водой и частично воздухом, так чтобы она только немного выходила из воды. Сверху стеклянный сосуд плотно закрывали куском тонкой кожи. Нажимая на эту кожу, можно было по желанию заставить фигурку плавать в воде и на воде, а также тонуть.

Изготовьте такой прибор и проделайте с ним опыты. Фигурку замените небольшим поплавком, а сосуд закройте, резиновой пленкой (рис. 143).

В другом варианте такой прибор изображен на рисунке 144. В бутылку воздух вдувают ртом через резиновую трубку.

Объясните действие прибора.

Продемонстрируйте на этом приборе закон Паскаля, архимедову силу и законы плавания тел.