Условия плавания тел
Плавание тел — состояние равновесия твёрдого тела, частично или полностью погружённого в жидкость (или газ).
Основная задача теории плавания тел — определение равновесия тела, погружённого в жидкость, выяснение условий устойчивости равновесия.
Как известно, на все тела, погружённые в жидкость, действует сила Архимеда 
, направленная вертикально вверх, однако всплывают далеко не все. Чтобы понять, почему одни тела всплывают, а другие тонут, необходимо учесть ещё одну силу, действующую на все тела, — силу тяжести 
, которая направлена вертикально вниз, противоположно . Если тело оставить внутри жидкости в состоянии покоя, то оно начнёт двигаться в сторону, в которую направлена большая из сил.
При этом возможны следующие случаи:
1) если архимедова сила меньше силы тяжести 
, то тело утонет (рис. 39, а);
2) если архимедова сила больше силы тяжести 
, то тело всплывёт (рис. 39, б);
3) если архимедова сила равна силе тяжести 
, то тело останется в покое. Последнее условие является условием равновесия тела в жидкости:
Равенство (1.34) выражает условие плавания тел: Для того чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой силой.
Условию плавания тел можно придать другую форму. Представим архимедову силу в виде
Силу тяжести, действующую на тело, тоже можно выразить через объём 
и плотность тела 
:
где 
— масса тела. Подставим выражения (1.35) и (1.36) в равенство (1.34):
Разделив обе части этого равенства на 
, получим условие плавание тел в новой форме:
Из полученного соотношения можно вывести два важных следствия.
- Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погружённым в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости.
- Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости.
При
плавание тел невозможно, так как в этом случае сила тяжести превышает архимедову силу, и тело тонет.
Что будет происходить с телом, у которого
, если его полностью погрузить в жидкость? В этом случае архимедова сила будет преобладать над силой тяжести, и потому тело начнёт подниматься вверх. Пока тело будет двигаться, оставаясь полностью погружённым в жидкость, архимедова сила будет оставаться неизменной. Но как только тело достигнет поверхности жидкости и появится над ней, эта сила (по мере уменьшения объёма части тела, погружённого в жидкость) будет становиться всё меньше и меньше. Всплытие прекратится тогда, когда архимедова (выталкивающая) сила станет равной силе тяжести. При этом чем меньшей плотностью (по сравнению с плотностью жидкости) обладает тело, тем меньшая его часть останется внутри жидкости (рис. 40).
Масса современных судов достигает нескольких десятков тысяч тонн. Почему же они не тонут? Дело в том, что, несмотря на огромную массу, их средняя плотность по-прежнему меньше плотности воды (благодаря тому, что в кораблях много пустых помещений).
Глубина, на которую плавающее судно погружается в воду, называется осадкой судна. При полной загрузке судна оно не должно погружаться в воду ниже так называемой грузовой ватерлинии. Вес воды, вытесняемый судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом, называется водоизмещением судна. Если из водоизмещения вычесть вес самого судна, получим грузоподъёмность — вес груза, перевозимого судном.
На все тела в воздухе также действует выталкивающая сила:
где 
— плотность воздуха.
Если эта сила окажется больше силы тяжести, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.
Летательные аппараты, применяемые в воздухоплавании, называют аэростатами (в переводе с греч. — «воздух» и «стоящий»). Неуправляемые аэростаты с оболочкой, имеющей форму шара, называют воздушными шарами. Управляемые аэростаты (имеющие двигатель и воздушные винты) называют дирижаблями.
Чтобы определить, какой груз способен поднять воздушный шар, следует знать его подъёмную силу. Она равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести: 
Чем меньше плотность газа, наполняющего воздушный шар, тем меньше действующая на него сила тяжести и тем больше возникающая подъёмная сила. Воздушные шары можно наполнять гелием, водородом или нагретым воздухом. Хотя у водорода меньшая плотность, в целях безопасности чаще применяют гелий (водород — горючий газ).
Проще всего осуществить подъём и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием в нижней части шара располагают горелку. Она позволяет регулировать температуру воздуха, а значит, и его плотность и подъёмную силу.
Можно подобрать такую температуру шара, при которой вес шара и кабины будет равен выталкивающей силе. Тогда шар повиснет в воздухе, и с него будет легко проводить наблюдения.
Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
| Давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда (гидростатическое давление) в физике |
| Закон Архимеда в физике |
| Законы сохранения в механике в физике |
| Импульс силы в физике |
