Почему мы в воде легче? Почему тела летают и плавают?

Вы уже знаете, что благодаря земному притяжению на каждое тело вблизи поверхности Земли действует сила тяжести, пропорциональная его массе. Поэтому, если мы роняем предмет, он падает. Почему же тогда наполненный гелием воздушный шар — который, в конце концов, всего лишь одно из тел с массой и весом — взмывает в небо, когда мы его отпускаем? И почему большой металлический корабль не тонет в воде? Неужели и шар, и корабль имеют отрицательную массу и отрицательный вес. А может мы чего-то не учли?

Да. Мы не учли среду, в которой находятся тела — воздух и воду.

— Но как они влияют на шарик и корабль? Попробуем разобраться.

Для начала давайте с вами проведём небольшой опыт. К пружине лабораторного динамометра прикрепим металлический цилиндр. Он под действием силы тяжести опускается вниз, растягивая при этом пружину динамометра. При деформации пружины возникает сила упругости, равная по величине силе тяжести (и, в данном случае, весу груза). Зафиксируем показания динамометра.

Теперь будем медленно опускать цилиндр в стакан с водой и следить за изменениями показаний динамометра. И что мы видим? Правильно, по мере погружения цилиндра в воду показания динамометра уменьшаются.

— Почему же вес груза уменьшился? Ведь сила тяжести не изменилась!

Ответ на этот вопрос достаточно прост. После погружения в воду груз взаимодействует не только с Землёй (сила тяжести), пружиной динамометра (сила упругости), но ещё и с водой, т. е. на тело со стороны воды действует некоторая сила.

Вынем цилиндр из воды. Динамометр покажет прежнее значение его веса. А чтобы показание динамометра вновь уменьшилось, к цилиндру нужно приложить силу снизу вверх, например подействовать ладонью руки.

Следовательно, и сила, действующая на тело со стороны жидкости, тоже направлена снизу вверх. По этой причине силу, действующую со стороны жидкости на тело, называют выталкивающей силой или архимедовой силой в честь выдающегося древнегреческого учёного Архимеда. Её значение, очевидно, равно разности показаний динамометра:

F_А = P₀ – P.

— А от чего зависит выталкивающая сила?

Ответим и на этот вопрос, проведя серию экспериментов. Возьмём медный цилиндр и взвесим его в воздухе с помощью динамометра. Далее полностью опустим цилиндр в сосуд с водой и определим действующую на него выталкивающую силу.

Теперь приподнимем цилиндр так, чтобы он примерно на половину был погружён в жидкость и вновь определим действующую на него выталкивающую силу.

Нетрудно увидеть, что выталкивающая сила уменьшилась в два раза. Следовательно, чем больше погружённый в жидкость объём тела, тем большая выталкивающая сила действует на тело. То есть, выталкивающая сила зависит от объёма погружённого в жидкость тела.

 Теперь давайте заменим воду в сосуде на концентрированный раствор соли. Полностью погрузим в этот раствор наш медный цилиндр и определим выталкивающую силу. Как видим, выталкивающая сила, действующая на цилиндр в соляном растворе, больше, нежели в обычной воде.

Учитывая, что плотность соляного раствора больше плотности воды, можно утверждать, что чем больше плотность жидкости, тем большая выталкивающая сила действует на погружённое в неё тело.

Продолжим. Заменим в опыте медный цилиндр на равный ему по объёму алюминиевый. Плотность алюминиевого цилиндра более чем в три раза меньше плотности медного. Взвесим этот цилиндр в воздухе и воде. И рассчитаем выталкивающую силу.

Ого Она оказалась такой же, как и в случае с медным цилиндром. О чём это говорит? Правильно, о том, что выталкивающая сила не зависит от плотности вещества погруженного тела.

Обобщая результаты опытов, можно утверждать, что выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное полностью или частично в жидкость, тем больше, чем больше объем тела, погруженный в жидкость, и чем больше плотность жидкости.

— А как действуют на тело газ, в который погружено тело?

И снова обратимся к опыту. Уравновесим на весах стеклянную колбу с воздухом, опущенную на нитке в сосуд. На дно сосуда насыплем толчёный мел и зальём его соляной кислотой. В результате реакции в сосуде образуется углекислый газ. При этом, как мы видим, нарушается равновесие весов. Значит, на колбу с воздухом действует выталкивающая сила со стороны более тяжёлого углекислого газа, в который она погружена.

— А если тело находится в воздухе, то будет ли на него действовать выталкивающая сила?

Проверим и это экспериментально. Закроем стеклянную колбу (или бутылку) плотной резиновой пробкой, в которую вставлены трубочки с краниками. На один кран (первоначально он закрыт) наденем резиновый шарик, а ко второму крану подсоединим насос. Накачаем воздух в колбу, затем закроем кран, отсоединим насос и поставим колбу на весы. Уравновесим весы.

Теперь аккуратно откроем краник, соединяющий колбу с резиновым шариком. Шарик раздуется, увеличится в объёме, и равновесие весов нарушится. Это свидетельствует о том, что со стороны воздуха на шарик тоже действует выталкивающая сила, которая тем больше, чем больше объём шарика.

В сочинении Архимеда «О плавающих телах» был сформулирован закон, позволяющий определять величину выталкивающей силы. На тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости (или газа), вытесненной телом:

F_A = ρ_жgV_погр.

Это утверждение называют законом Архимеда.

Давайте проверим справедливость этого закона. Для этого воспользуемся немного модернизированной установкой, называемой ведёрком Архимеда. Вот у нас есть динамометр, к которому подвешено ведёрко и тело цилиндрической формы. Зафиксируем показание динамометра, который сейчас показывает нам вес тела в воздухе. Теперь поставим под установку отливной сосуд, наполненный жидкостью до уровня отливной трубки, под которую поместим пустой стакан.

При погружении тела в этот сосуд, часть жидкости, объём которой равен объёму тела, выливается из отливного сосуда в стакан. Вместе с этим происходит сокращение пружины динамометра, указывая на уменьшения веса тела в жидкости. Теперь давайте перельём вытесненную телом воду в ведёрко. Ого. Показание динамометра вернулось к своему начальному положению. А о чём это нам говорит?.. Что действительно сила, выталкивающая целиком погружённое в жидкость тело, равна весу жидкости в объёме этого тела.

Многочисленные опыты показывают: закон Архимеда применим к телам любой формы, погруженным в жидкость или газ полностью или частично.

Но помимо силы Архимеда, на тело, находящееся внутри жидкости, действует ещё и сила тяжести, направленная вертикально вниз. Рассмотрим, что будет происходить с телом под действием этих двух сил. Для этого обратимся к следующему опыты. Погрузим в стакан с солёной водой кубики из сырого картофеля, пенопласта и пластилина. Как видим, пластилиновый кубик сразу же опустился на дно, пенопластовый всплыл и стал плавать на поверхности, а кубик из сырого картофеля (при определённой концентрации соли в воде) остался внутри жидкости.

В чём причина этого различия? Всё зависит от соотношения плотности тела и плотности жидкости.

Сравнив плотность жидкости с плотностью тел, легко понять, что однородное тело:

· утонет в жидкости, если его плотность больше плотности жидкости;

· будет находиться в состоянии равновесия на любой глубине внутри жидкости, если его плотность сравнима с плотностью жидкости;

· и всплывёт и будет находиться в состоянии равновесия, частично погрузившись в жидкость, если его плотность будет меньше плотности жидкости.

— А при каком условии будет плавать неоднородное тело, состоящее из материалов различной плотности (например, корабль, подводная лодка, катер)?

При таком же условии, только вместо плотности вещества нужно взять среднюю плотность тела. Её рассчитывают по формуле, аналогичной формуле для плотности вещества:

Средняя плотность тела зависит от плотности материалов, из которых оно состоит. Так, если из куска пластилина слепить шар с воздушной полостью, то средняя плотность шара станет меньше плотности пластилина.

Корабли, паромы, яхты, лодки и так далее конструируют так, чтобы их средняя плотность была меньше плотности воды. В кораблях для этого создают водонепроницаемые отсеки, заполненные воздухом. А для того, чтобы подводная лодка могла идти как в надводном, так и в подводном режиме, в её конструкции предусматривают возможность «управления» её средней плотностью. Чтобы двигаться под водой, нужно увеличить среднюю плотность. Для этого специальные балластные отсеки лодки заполняют водой. Чтобы уменьшить среднюю плотность, воду из этих отсеков вытесняют сжатым воздухом.

Для морских и речных судов существует максимальная глубина безопасного погружения. Её называют предельной осадкой. Уровень погружения при предельной осадке отмечают на борту судна красной линией — ватерлинией.

А масса воды, вытесненной погружённым до ватерлинии судном, называется водоизмещением судна. Кстати, знаменитый «Титаник» имел водоизмещение в 46 300 тонн.

Осадка судна в незагруженном состоянии меньше предельной, а при наличии максимально допустимого груза — равна ей. Соответственно, масса корабля без груза меньше его водоизмещения. Разность этих двух масс равная массе максимально допустимого груза и называется грузоподъёмностью судна. Крупнейшие нефтяные супертанкеры имеют грузоподъёмность свыше 320 000 тонн.

— А что такое воздухоплавание?

В отличие от авиации, в которой для полёта используют устройства тяжелее воздуха (например, самолёты или вертолёты), воздухоплавание осуществляется с помощью таких летательных аппаратов, как воздушные шары, дирижабли и тому подобное. Как и для плавания судов, основой воздухоплавания служит использование силы Архимеда.

Кстати, интересно, что первый воздушный шар был изобретён во Франции братьями Монгольфье и успешно запущен в 1783 году. Внизу шара было отверстие, под которым находилась жаровня с горячими углями. Воздух внутри шара постепенно нагревался, расширялся, и часть его уходила из шара. Его средняя плотность становилась меньше плотности воздуха снаружи, и шар поднимался вверх.

Разность между силой Архимеда и силой тяжести ненагруженного воздушного шара равна весу груза, который шар может поднять, то есть его подъёмной силе.

Почему летательные шары заполняют не водородом — самым лёгким из газов, а гелием? Потому, что водород (в отличие от гелия) образует с воздухом крайне взрывоопасную смесь!

Воздушные шары, поднимающиеся на сравнительно небольшие высоты, называются аэростатами, а на большие (более 11 километров) — стратостатами. Аппараты же, которые используют в дополнение к силе Архимеда силу тяги двигателей, снабжённых пропеллерами, называются дирижаблями.

Воздухоплавание нашло своё практическое применение. Запуская шары-зонды, снабжённые датчиками, метеорологи получают информацию о температуре, давлении, о загрязнённости атмосферы на различных высотах. Пользуются популярностью полёты на воздушных шарах в развлекательных целях.

Таким образом видим, что использование законов физики позволило человеку освоить воздушный и водный океаны. Воздух и вода — самые необходимые составляющие для жизни человека и всего живого мира. Поэтому осваивать воздушные и водные пространства надо экологически грамотно, стараясь не причинить им вреда.