Условия плавания тел в физике

Условия плавания тел

Плавание тел — состояние равновесия твёрдого тела, частично или полностью погружённого в жидкость (или газ).

Основная задача теории плавания тел — определение равновесия тела, погружённого в жидкость, выяснение условий устойчивости равновесия.

Как известно, на все тела, погружённые в жидкость, действует сила Архимеда , направленная вертикально вверх, однако всплывают далеко не все. Чтобы понять, почему одни тела всплывают, а другие тонут, необходимо учесть ещё одну силу, действующую на все тела, — силу тяжести , которая направлена вертикально вниз, противоположно . Если тело оставить внутри жидкости в состоянии покоя, то оно начнёт двигаться в сторону, в которую направлена большая из сил.

При этом возможны следующие случаи:
1) если архимедова сила меньше силы тяжести , то тело утонет (рис. 39, а);

2) если архимедова сила больше силы тяжести , то тело всплывёт (рис. 39, б);

3) если архимедова сила равна силе тяжести , то тело останется в покое. Последнее условие является условием равновесия тела в жидкости:

(1.34)
Рис. 39

Равенство (1.34) выражает условие плавания тел: Для того чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой силой.
Условию плавания тел можно придать другую форму. Представим архимедову силу в виде

(1.35)

Силу тяжести, действующую на тело, тоже можно выразить через объём и плотность тела :

(1.36)

где — масса тела. Подставим выражения (1.35) и (1.36) в равенство (1.34):

Разделив обе части этого равенства на , получим условие плавание тел в новой форме:

Из полученного соотношения можно вывести два важных следствия.

  1. Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погружённым в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости.
  2. Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости.
    При плавание тел невозможно, так как в этом случае сила тяжести превышает архимедову силу, и тело тонет.
    Что будет происходить с телом, у которого , если его полностью погрузить в жидкость? В этом случае архимедова сила будет преобладать над силой тяжести, и потому тело начнёт подниматься вверх. Пока тело будет двигаться, оставаясь полностью погружённым в жидкость, архимедова сила будет оставаться неизменной. Но как только тело достигнет поверхности жидкости и появится над ней, эта сила (по мере уменьшения объёма части тела, погружённого в жидкость) будет становиться всё меньше и меньше. Всплытие прекратится тогда, когда архимедова (выталкивающая) сила станет равной силе тяжести. При этом чем меньшей плотностью (по сравнению с плотностью жидкости) обладает тело, тем меньшая его часть останется внутри жидкости (рис. 40).
Рис. 40

Масса современных судов достигает нескольких десятков тысяч тонн. Почему же они не тонут? Дело в том, что, несмотря на огромную массу, их средняя плотность по-прежнему меньше плотности воды (благодаря тому, что в кораблях много пустых помещений).
Глубина, на которую плавающее судно погружается в воду, называется осадкой судна. При полной загрузке судна оно не должно погружаться в воду ниже так называемой грузовой ватерлинии. Вес воды, вытесняемый судном при погружении до ватерлинии, равный силе тяжести, действующей на судно с грузом, называется водоизмещением судна. Если из водоизмещения вычесть вес самого судна, получим грузоподъёмность — вес груза, перевозимого судном.
На все тела в воздухе также действует выталкивающая сила:

где — плотность воздуха.
Если эта сила окажется больше силы тяжести, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.


Летательные аппараты, применяемые в воздухоплавании, называют аэростатами (в переводе с греч. — «воздух» и «стоящий»). Неуправляемые аэростаты с оболочкой, имеющей форму шара, называют воздушными шарами. Управляемые аэростаты (имеющие двигатель и воздушные винты) называют дирижаблями.
Чтобы определить, какой груз способен поднять воздушный шар, следует знать его подъёмную силу. Она равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести:

Чем меньше плотность газа, наполняющего воздушный шар, тем меньше действующая на него сила тяжести и тем больше возникающая подъёмная сила. Воздушные шары можно наполнять гелием, водородом или нагретым воздухом. Хотя у водорода меньшая плотность, в целях безопасности чаще применяют гелий (водород — горючий газ).

Проще всего осуществить подъём и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием в нижней части шара располагают горелку. Она позволяет регулировать температуру воздуха, а значит, и его плотность и подъёмную силу.

Можно подобрать такую температуру шара, при которой вес шара и кабины будет равен выталкивающей силе. Тогда шар повиснет в воздухе, и с него будет легко проводить наблюдения.



Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Предмет физика

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда (гидростатическое давление) в физике
Закон Архимеда в физике
Законы сохранения в механике в физике
Импульс силы в физике