Архимедова сила

Откуда берётся выталкивание

Жидкость давит на тело со всех сторон. На боковые стенки давление одинаково и взаимно уничтожается.

А вот сверху и снизу картина разная. Нижняя грань лежит глубже, и на неё давит сильнее.

Разность этих давлений и даёт силу, направленную вверх. Её называют архимедовой, или выталкивающей.

В газах происходит то же самое, только слабее: плотность воздуха мала. Именно поэтому шар с гелием поднимается, а обычный мяч нет.

Как её считают

Архимедова сила равна весу жидкости, вытесненной телом. Считают её по плотности жидкости, числу g и объёму погружённой части.

Ни масса тела, ни его форма, ни глубина в формулу не входят. Важно лишь, сколько жидкости тело отодвинуло.

Кирпич и такой же по размеру кусок пенопласта под водой выталкиваются одинаково. Разница появится потом, когда мы сравним эту силу с их весом.

Легенда говорит, что Архимед додумался до этого в бане. Ему поручили проверить, из чистого ли золота сделана корона царя, и решение пришло, когда он увидел, как вода выходит из ванны.

Опыт с ведёрком Архимеда

К динамометру подвешивают пустое ведёрко и тело, записывают показание. Потом тело опускают в сосуд, наполненный водой до края.

Динамометр показывает меньше: тело стало легче на архимедову силу. Вытесненная вода при этом стекает в стакан.

Теперь эту воду выливают в ведёрко. Стрелка возвращается на прежнее место.

Опыт доказывает закон точно: потеря веса равна весу вытесненной воды, до последнего деления.

Три случая

Сравним архимедову силу с силой тяжести. Возможны ровно три исхода.

Если выталкивание меньше веса, тело тонет. Так ведут себя камень, гвоздь, стеклянная банка без воздуха.

При точном равенстве сил тело плавает внутри жидкости, не всплывая и не опускаясь. Так висит в толще воды рыба и подводная лодка с точно набранным балластом.

Рыбе помогает плавательный пузырь. Она чуть меняет его объём и висит на нужной глубине, не работая плавниками.

Если выталкивание больше веса, тело всплывает и останавливается на поверхности. Тогда оно погружается ровно настолько, чтобы вытесненная вода весила столько же, сколько само тело.

Плавание судов

Стальной лист тонет мгновенно. Из того же листа сваривают корпус, внутри которого воздух, и корабль держится на воде.

Дело в средней плотности. У судна вместе с трюмами она примерно вчетверо меньше водяной.

Глубину погружения называют осадкой. Чем больше груза, тем ниже сидит судно и тем больше воды оно вытесняет.

На борту рисуют грузовую марку. Она показывает предел, ниже которого судно грузить опасно.

Воздухоплавание

В воздухе архимедова сила тоже работает. Шар поднимется, если газ внутри легче окружающего воздуха.

Гелий и водород легче воздуха всегда. Обычный воздух годится тоже, если его нагреть: тёплый становится менее плотным.

Высоту полёта регулируют балластом и температурой газа. Сбросил мешок с песком, шар пошёл вверх, выпустил тёплый воздух, начал спускаться.

Дирижабль отличается от шара тем, что имеет двигатель и рули. Подъёмная сила у него та же архимедова, а вот направление он выбирает сам.

Как найти плотность вещества, разобрано в уроке «Плотность». Про давление жидкости на глубине речь шла в уроке «Давление в жидкости и газе».