Плавучесть

Физика > Плавучесть

Тело остается на плаву, если влияющая сила плавучести сбалансирует его вес.

Задача обучения

• Осознать связь между силой плавучести и весом тела.

Основные пункты

• Сила плавучести зависит от формы объекта.
• Часть объема погруженного в воду тела вычисляется соотношением средней плотности к плотности жидкости: 
• Тело будет плавать, если влияющей на него силе удается сбалансировать вес.

Термин

• Принцип Архимеда: влияющая не погруженное в жидкость тело плавучая сила приравнивается к весу вытесненной жидкости.

Почему одни тела держатся на воде, а другие – нет? Положите монетку в стакан с водой, и она пойдет ко дну. Но ведь многие корабли состоят из метала и плавают. Как так?

Состояние плавучести

Объект будет плавать, если влияющая на него сила плавучести сбалансирует вес: F_B = mg. Согласно принципу Архимеда, сила плавучести отображает вес перемещенной жидкости. То есть, только при определенных обстоятельствах плавучесть приравнивается к весу объекта. Давайте взглянем на железный блок весом в 1 тонну. Железо по плотности в 8 раз превосходит воду, то есть вытесняет 1/8 тонны воды. Этого недостаточно, чтобы оставаться на плаву. А теперь переделаем блок в чашу. Вес остался прежним, но вытесненный объем воды увеличился. Чем глубже погружение, тем больше вытесняется воды, и тем активнее влияет сила плавучести. Как только плавучесть сравняется с тонной, тело прекратит погружение.

Когда лодка вытесняет равное своему весу количество воды, она может плавать. Это именуют «принципом плавучести». Любой плавательный механизм должен создаваться так, чтобы соответствовать этому принципу. Судно на 3 тонны обязано обладать необходимой шириной, чтобы вытеснить 3 тонны воды. То же самое касается и дирижабля, но речь уже идет о вытесненном воздухе.

Плавучесть и плотность

В принципе Архимеда плотность занимает решающее место. От средней плотности зависит то, сумеет ли объект плавать. Дело в том, что жидкость с большей плотностью обладает и большей массой, а значит увеличивается вес при том же объеме. Если тело плотнее жидкости, то утонет. Степень углубления зависит от связи между плотностями тела и жидкости. У корабля без груза плотность меньше, и он не так сильно «проседает» в воде. Все это можно выразить в виде формулы:

Судно без груза (a) располагается выше на уровне воды, чем загруженное (b)

Часть погружение:

Погруженный объем приравнивается к объему смещенной жидкости (V_fl). Сейчас можно добыть соотношение между плотностями, добавив в выражение p = mV =

( ρobj – средняя плотность объекта, ρ_fl – плотность жидкости). Объект плавает, поэтому его масса и смещенная жидкость равны и отменяют уравнение:

Важно отметить два момента:

• Здесь упоминается средняя плотность тела. Она может уступать плотности материала. Например, стальной корабль внутри наполнен воздухом, поэтому его средняя плотность будет чем-то средним между воздухом и сталью. В формуле:  p = m/V.
• Формула пригодится лишь в том случаем, если плотность объекта уступает показателям жидкости. Иначе судно потонет!

---