Закон Архимеда
Этот закон был открыт древнегреческим учёным Архимедом в III в. до н.э. Свои исследования Архимед описал в трактате «О плавающих телах».
Если погрузить в воду мячик, наполненный воздухом, и отпустить его, то он всплывёт. То же самое произойдёт и со многими другими телами. Какая же сила заставляет их всплывать?
На тело, погружённое в воду, со всех сторон действуют силы давления воды (рис. 37, а). В каждой точке тела эти силы направлены перпендикулярно его поверхности. Если бы все эти силы были одинаковы, тело испытывало бы лишь всестороннее сжатие. Но на разных глубинах гидростатическое давление различно: оно возрастает с увеличением глубины. Поэтому силы давления, приложенные к нижним участкам тела, оказываются больше сил давления, действующих на тело сверху.
В итоге результирующая сила направлена вверх. Это и заставляет тело всплывать. Эта сила называется выталкивающей силой, или архимедовой силой. На рис. 37, б она обозначена как 
.
Архимедова (выталкивающая) сила действует на тело не только в воде, но и в любой другой жидкости, т. к. в любой жидкости существует гидростатическое давление, разное на разных глубинах. Эта сила действует и в газах, благодаря чему летают воздушные шары и дирижабли.
Благодаря выталкивающей силе вес любого тела, находящегося в воде (или в любой другой жидкости), оказывается меньше, чем в воздухе. В этом легко убедиться, взвесив гирю с помощью учебного пружинного динамометра сначала в воздухе, а затем в сосуде с водой.
Уменьшение веса происходит и при переносе тела из вакуума в воздух (или какой-либо другой газ).
Если вес тела в вакууме равен 
, то его вес в воздухе равен:
где 
— архимедова сила, действующая на данное тело в воздухе. Для большинства тел эта сила ничтожно мала и ею можно пренебречь, т. е. можно считать, что 
Вес тела в жидкости уменьшается значительно сильнее. Если в воздухе 
то в жидкости 
. Здесь F. — архимедова сила, действующая в жидкости. Отсюда следует, что
Поэтому чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в какой-либо жидкости, нужно это тело взвесить в воздухе и в жидкости.
Разность полученных значений и будет архимедовой (выталкивающей) силой. Другими словами, учитывая формулу (1.32), можно сказать:
Выталкивающая сила, действующая на погружённое в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом.
Определить архимедову силу можно также теоретически. Для этого предположим, что тело, погружённое в жидкость, состоит из той же жидкости, в которую оно погружено. Мы имеем право это предположить, так как силы давления, действующие на тело, погружённое в жидкость, не зависят от вещества, из которого оно сделано. Тогда приложенная к такому телу архимедова сила будет уравновешена действующей вниз силой тяжести 
(где 
— масса жидкости в объёме данного тела):
Но сила тяжести 
равна весу вытесненной жидкости 
. Таким образом,
Учитывая, что масса жидкости равна произведению её плотности 
на объём, формулу (1.33) можно записать в виде:
где 
— объём вытесненной жидкости. Этот объём равен объёму той части тела, которая погружена в жидкость. Если тело погружено в жидкость целиком, то совпадает с объёмом 
всего тела; если же тело погружено в жидкость частично, то объём вытесненной жидкости меньше объёма тела (рис. 38).
Формула (1.33) справедлива и для архимедовой силы, действующей в газе. Только в этом случае в неё следует подставлять плотность газа и объём вытесненного газа, а не жидкости.
С учётом вышеизложенного закон Архимеда можно сформулировать так:
На всякое тело, погружённое в покоящуюся жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная произведению плотности жидкости (или газа), ускорения свободного падения и объёма той части тела, которая погружена в жидкость (или газ).
Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
| Закон Паскаля в физике |
| Давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда (гидростатическое давление) в физике |
| Условия плавания тел в физике |
| Законы сохранения в механике в физике |
