Жидкости и законы Ньютона
| English | Русский |
|---|---|
| buoyant force/ˈbɔɪənt fɔːs/ | выталкивающая сила |
Стальной корабль плавает, а стальной гвоздь тонет
- Бросьте стальной гвоздь в воду, и он утонет мгновенно. Однако корабль из тысяч тонн стали плавает.
- Корабль удерживается за счёт вытеснения огромного объёма воды — достаточно, чтобы воспринять его вес.
- Восходящее воздействие жидкости называется архимедовой силой (плавучей силой).
- Она подчиняется простому правилу, открытому Архимедом.
Принцип Архимеда
- Архимедова сила равна весу вытесненной жидкости: $F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$.
- Она возникает потому, что давление снизу объекта больше, чем сверху.
- $V$ — это объём погружённой части, а $\rho_{\text{fluid}}$ — плотность жидкости.
- Вытесните больше жидкости или используйте жидкость с большей плотностью, и восходящая сила увеличится.
Блок объемом $0.002\ \text{m}^3$ погружен в воду ($\rho = 1000\ \tfrac{\text{kg}}{\text{m}^3}$, $g = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$). Какова выталкивающая сила в $\text{N}$?
$F_b = \rho V g = 1000 \times 0.002 \times 10 = 20\ \text{N}$.
Принцип Архимеда гласит, что выталкивающая сила равна:
$F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ — весу жидкости, которую вытесняет тело.
Плавать или тонуть? Сравните силы
- Сравните архимедову силу (вверх) с весом объекта (вниз) — это баланс сил по законам Ньютона.
- Если архимедова сила может уравновесить вес, объект плавает; если нет — тонет.
- Эквивалентно, сравните плотности: меньше плотности жидкости ⇒ плавает; больше ⇒ тонет.
- Корабль плавает, потому что его общая (средняя) плотность, включая корпус и воздух, мала.
Плавает ли тело?
Сравните плотность тела с плотностью жидкости и посмотрите, как выталкивающая сила определяет плавание или погружение.
Тело плавает в жидкости, если оно:
Менее плотное, чем жидкость ⇒ выталкивающая сила может удержать его вес ⇒ оно плавает.
Стальной корабль плавает, потому что его средняя плотность (сталь плюс воздух) меньше плотности воды.
Полый корпус удерживает воздух, снижая среднюю плотность корабля ниже плотности воды.
Выберите все факторы, увеличивающие выталкивающую силу на полностью погруженный объект.
$F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ растет с объемом, плотностью жидкости и $g$. Цвет не имеет значения.
Почему под водой ощущается легче
- Поднять камень под водой и почувствовать, что он легче — архимедова сила помогает вам.
- Его видимый вес равен реальному весу минус архимедова сила.
- Полностью погруженный в воду объект, плотность которого выше плотности воды, все равно тонет, но с уменьшенным видимым весом.
- Выталкивающая сила — это просто применение законов Ньютона к давлению окружающей жидкости.
Видимый вес погруженного тела равен его истинному весу минус ____ сила.
Видимый вес $=$ истинный вес $-$ выталкивающая сила, поэтому предметы кажутся легче под водой.
Выталкивающая сила зависит от объема вытесненной жидкости и плотности жидкости, а не напрямую от собственной плотности или веса тела. Тонет тело или плавает на поверхности — определяется сравнением выталкивающей силы с весом (или плотности тела с плотностью жидкости).
Блок объемом $0.002\ \text{m}^3$ полностью погружен в воду ($\rho = 1000\ \tfrac{\text{kg}}{\text{m}^3}$, $g = 10\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$).
- $F_b = \rho V g = 1000 \times 0.002 \times 10 = 20\ \text{N}$.
Если блок весит больше $20\ \text{N}$, он тонет; если меньше — поднимается и плавает.
Выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости: $F_b = \rho_{\text{fluid}} V g$ (закон Архимеда). Объект плавает, если эта сила может уравновесить его вес — эквивалентно, если он менее плотный, чем жидкость, и тонет, если нет. Погруженные под воду объекты имеют уменьшенный видимый вес.