1 колба наполнена водой

Архимедова сила: что это такое и как действует

Рассказываем, почему железные корабли не тонут, а воздушные шары летают, что такое «эврика» и при чём здесь Дональд Дак.

Гениальный учёный Архимед, живший в древнегреческих Сиракузах в III веке до нашей эры, прославился среди современников как создатель оборонительных машин, способных перевернуть боевой корабль. Другое его изобретение, «Архимедов винт», по сей день остаётся важнейшей деталью гигантских буровых установок и кухонных мясорубок. Мир обязан Архимеду революционными открытиями в области оптики, математики и механики.

Его личность окутана легендами, порой весьма забавными. С одной из них мы и начнём нашу статью.

«Эврика!» Открытие закона Архимеда

Однажды царь Сиракуз Гиерон II обратился к Архимеду с просьбой установить, действительно ли его корона выполнена из чистого золота, как утверждал ювелир. Правитель подозревал, что мастер прикарманил часть драгоценного металла и частично заменил его серебром.

В те времена не существовало способов определить химический состав металлического сплава. Задача поставила учёного в тупик. Размышляя над ней, он отправился в баню и лёг в ванну, до краёв наполненную водой. Когда часть воды вылилась наружу, на Архимеда снизошло озарение. Такое, что учёный голышом выскочил на улицу и закричал «Эврика!», что по-древнегречески означает «Нашёл!».

Он предположил, что вес вытесненной воды был равен весу его тела, и оказался прав. Явившись к царю, он попросил принести золотой слиток, равный по весу короне, и опустить оба предмета в наполненные до краёв резервуары с водой. Корона вытеснила больше воды, чем слиток. При одной и той же массе объём короны оказался больше, чем объём слитка, а значит, она обладала меньшей плотностью, чем золото. Выходит, царь правильно подозревал своего ювелира.

Так был открыт принцип, который теперь мы называем законом Архимеда:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объёме погружённой части тела.

Эта выталкивающая сила и называется силой Архимеда.

Формула силы Архимеда

На любой объект, погружённый в воду, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, вес объекта, погружённого в воду, будет отличаться от его веса в воздухе в меньшую сторону. Разница будет равна весу вытесненной воды.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Выталкивающая сила зависит от трёх факторов:

• плотности жидкости или газа (p);
• ускорения свободного падения (g);
• объёма погружённой части тела (V).

Сопоставив эти данные, получаем формулу:

Как действует сила Архимеда

Поскольку сила Архимеда, действующая на тело, зависит от объёма его погружённой части и плотности среды, в которой оно находится, можно рассчитать, как поведёт себя то или иное тело в определённой жидкости или газе.

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Если плотности тела и жидкости или газа равны — тело будет находиться в безразличном равновесии в толще жидкости или газа.

Если плотность тела больше, чем плотность жидкости или газа, — оно уйдёт на дно.

Сила Архимеда в жидкости: почему корабли не тонут

Корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Но если корабль получит пробоину и пространство внутри заполнится водой, то общая плотность судна увеличится, и оно утонет.

В подводных лодках существуют специальные резервуары, заполняемые водой или сжатым воздухом в зависимости от того, нужно ли уйти на глубину или подняться ближе к поверхности. Тот же самый принцип используют рыбы, наполняя воздухом специальный орган — плавательный пузырь.

На тело, плотно прилегающее ко дну, выталкивающая сила не действует. Это учитывают при подъёме затонувших кораблей. Сначала судно слегка приподнимают, позволяя воде проникнуть под него. Тогда давление воды начинает действовать на корабль снизу.

Но чтобы поднять корабль на поверхность, необходимо уменьшить его плотность. Разумеется, воздух в получившем пробоину корпусе не удержится. Поэтому его заполняют каким-нибудь лёгким веществом, например, шариками пенополистирола.

Примечательно, что эта идея впервые пришла в голову не учёным, а авторам диснеевского комикса, в котором Дональд Дак таким образом поднимает со дна яхту Скруджа Макдака. Датский инженер Карл Кройер (Karl Krøyer), впервые применивший метод на практике, по собственному признанию вдохновлялся «Утиными историями».

Сила Архимеда в газах: почему летают дирижабли

В воздухе архимедова сила действует так же, как в жидкости. Но поскольку плотность воздуха обычно намного меньше, чем плотность окружённых им предметов, выталкивающая сила оказывается ничтожно мала.

Впрочем, есть исключения. Воздушный шарик, наполненный гелием, стремится вверх именно потому, что плотность гелия ниже, чем плотность воздуха. А если наполнить шар обычным воздухом — он упадёт на землю. Плотность воздуха в нём будет такая же, как у воздуха снаружи, но более высокая плотность резины обеспечит падение шарика.

Этот принцип используется в аэростатах — воздушные шары и дирижабли наполняют гелием или горячим воздухом (чем горячее воздух, тем ниже его плотность), чтобы подняться, и снижают концентрацию гелия (или температуру воздуха), чтобы спуститься. На них действует та же выталкивающая сила, что и на подводные лодки. Именно поэтому перемещения на аэростатах называют воздухоплаванием.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS72021 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 7 класса, в котором изучается архимедова сила.

Когда сила Архимеда не работает

• Если тело плотно прилегает к поверхности. Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа — нет и выталкивающей силы. Именно поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно — мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.
• В невесомости. Наличие веса у жидкости или газа — обязательное условие для возникновения архимедовой силы. В состоянии невесомости горячий воздух не поднимается, а холодный не опускается. Поэтому на МКС создают принудительную конвекцию воздуха с помощью вентиляторов.
• В растворах и смесях. Если в воду налить спирт, на него не будет действовать сила Архимеда, хотя плотность спирта меньше плотности воды. Поскольку связь между молекулами спирта слабее, чем связь молекул воды, он растворится в воде, и образуется новая жидкость — водный раствор спирта.

У нас вы сможете учиться в удобном темпе, делать упор на любимые предметы и общаться со сверстниками по всему миру.

Попробовать бесплатно

Интересное по рубрике

Найдите необходимую статью по тегам

Подпишитесь на нашу рассылку

Мы в инстаграм

Домашняя онлайн-школа
Помогаем ученикам 5–11 классов получать качественные знания в любой точке мира, совмещать учёбу со спортом и творчеством

Посмотреть

Рекомендуем прочитать

Реальный опыт семейного обучения

Звонок по России бесплатный

Пишите нам письма

Посмотреть на карте

Если вы не нашли ответ на свой вопрос на нашем сайте, включая раздел «Вопросы и ответы», закажите обратный звонок. Мы скоро свяжемся с вами.

Источник

1 колба наполнена водой

В стеклянную колбу налили немного воды и герметично закрыли её пробкой. Вода постепенно испарялась. На рисунке показан график изменения со временем t концентрации n молекул водяного пара внутри колбы. Температура в колбе в течение всего времени проведения опыта оставалась постоянной. В конце опыта в колбе ещё оставалась вода. Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения относительно описанного процесса.

1) На участке 1 водяной пар ненасыщенный, а на участке 2 насыщенный.

2) На участке 2 давление водяных паров не менялось.

3) На участке 1 плотность водяных паров уменьшалась.

4) На участке 2 плотность водяных паров увеличивалась.

5) На участке 1 давление водяных паров уменьшалось.

1) На участке 1 давление пара меняется, а на участке 2 — уже нет, следовательно, на участке 1 пар ненасыщенный, а на участке 2 — насыщенный. Утверждение 1 верно.

2) Как известно из первого пункта, на участке 2 пар насыщенный, значит, его давление не изменяется. Утверждение 2 верно.

3) Плотность водяных паров изменяется пропорционально концентрации, следовательно, при увеличении концентрации плотность водяных паров также увеличивается. Утверждение 3 неверно.

4) Как известно из первого пункта, пар на участке 2 — насыщенный, следовательно, его плотность на участке 2 не изменяется. Утверждение 4 неверно.

5) Давление водяных паров изменяется пропорционально концентрации, следовательно, при увеличении концентрации давление водяных паров также увеличивается. Утверждение 5 неверно.

Источник

Колба в физических опытах

Далеко не очевидный факт для учащихся – воздух имеет вес – когда-то доказывался опытным путём, а именно взвешиванием стеклянного шара ёмкостью 1 л. Такие шары уже не выпускают, но можно воспользоваться колбой ёмкостью 1 л. Колбу закрывают каучуковой пробкой с плотно посаженной по центру стеклянной трубкой, которая снабжена притёртым краном. С такой колбой можно поставить и ещё ряд опытов.

1. Необходимость среды для распространения звука. Звук хорошо распространяется в твёрдой, жидкой и газообразной средах, но не распространяется в вакууме. Для доказательства этого утверждения в колбу помещают малогабаритный, например, от плеера, телефонный наушник. Для этого в пробке шилом протыкают два отверстия и через них пассатижами проталкивают медную проволоку диаметром до 1 мм. К нижним концам проводников присоединяют телефон (наушник), а к верхним – провода от выходных зажимов звукового генератора.

Стеклянную трубку соединяют с разрежающим тубусом насоса. Открывают кран и наблюдают, как по мере откачивания воздуха из колбы звучание телефона становится всё слабее и слабее. Полностью звучание не прекращается из-за неполного откачивания воздуха и звукопроводности проводов.

2. Демонстрация устойчивого равновесия. В колбу насыпают песок на треть, наливают немного воды для смачивания песка и закрепляют колбу вертикально в штативе. Когда вода отстоится, её излишки сливают, чтобы закрепить песок в нижней части колбы.

Затем колбу ставят на поверхность стола. При отклонении горла колбы в сторону, она возвращается в первоначальное положение, т.е. ведёт себя как «ванька-встанька», демонстрируя устойчивое равновесие.

3. Конвекционные потоки в жидкости. В колбу наливают воду примерно до половины и закрепляют в штативе. В воду опускают стеклянную трубочку так, чтобы она одним концом касалась дна, и через неё насыпают кристаллики марганцовки. Закрыв пальцем верхний конец трубочки, вынимают её. Под колбу помещают слабо горящую спиртовку и наблюдают, как бор-довые струйки поднимаются в середине колбы и опадают вдоль стенок, – это конвекционные потоки, благодаря которым вода постепенно окрашивается однородно в бордовый цвет.

4. Объёмное расширения воздуха и воды. Коэффициент объёмного расширения определяют с помощью экспериментальной установки, изображённой на рисунке. В колбу наливают воду (лучше подкрашенную) и рассчитывают коэффициент по формуле , где V (приращение объёма) определяют по показаниям шприца, t (изменение температуры) – по термометру мультиметра, V₀ (начальный объём колбы) определяют по показаниям измерительного цилиндра, выливая в него воду.

5. Изменение плотности воды при замерзании. Колбу заполняют водой (лучше её подкрасить) и закрывают пробкой, через которую пропущены провода термопары, подсоединённые к термометру мультиметра, и стеклянная трубочка. Колбу закрепляют в штативе и опускают в сосуд из прозрачной пластиковой бутылки. Сосуд заполняют охлаждающей смесью изо льда и соли. Через равные промежутки времени записывают температуру и уровень воды в трубочке. Смесь в сосуде периодически встряхивают.

По мере охлаждения колбы объём воды в трубочке уменьшается до тех пор, пока температура не станет равной 4 °С, после чего объём воды начинает увеличиваться, хотя температура всё понижается до 0 °С. Это говорит о том, что вода имеет минимальный объём и наибольшую плотность при 4 °С.

6. Кристаллизация гипосульфита. Заполнив колбу гипосульфитом, расплавляют его на слабом огне. Затем гипосульфит охлаждают до комнатной температуры, но он остаётся жидким, хотя температура отвердевания его выше комнатной. Через трубочку опускают несколько мелких кристалликов твёрдого гипосульфита, которые, попадая в жидкую фазу, моментально вызывают кристаллизацию вещества по всему объёму. Коснувшись колбы спаем термопары, фиксируют повышение температуры. Это свидетельствует о том, что внутренняя энергия вещества в жидкой фазе больше внутренней энергии этого же вещества в твёрдом состоянии.

7. Модель пульверизатора. С помощью груши воздух продувают через горизонтальную стеклянную трубочку. При этом над отверстием вертикальной трубочки, опущенной в колбу с водой, согласно закону Бернулли, возникает разрежение, и атмосферное давление гонит воду вверх по трубочке. Вода подхватывается струёй воздуха и распыляется. Чтобы атмосферное давление «работало», в пробке должно быть сквозное отверстие.

8. Необходимость атмосферного давления для работы насоса. Если колбу полностью наполнить водой и в отверстие в пробке вставить хвостовик шприца так, чтобы в месте соединения пробки и шприца не было воздуха, то поднять поршень шприца не удастся, потому что на воду не будет действовать атмосферное давление.

9. Получение направленной струи воды. Собирают установку по рисунку, закрывают зажим. Нагнетают воздух в колбу и закрывают кран – вода в колбе будет находиться под давлением больше атмосферного. Если зажим открыть, вода начнёт бить узкой струёй, которую можно направить на водяное колесо или водяную турбину.

С помощью этой струи можно также демонстрировать траекторию движения тела, брошенного горизонтально или под углом к горизонту.

Для надёжности пробку следует закрепить на колбе изоляционной лентой или скотчем, а лучше – проволокой, как это делают с бутылкой шампанского.

10. Нагревание проводов линии электропередачи. В колбу помещают несколько метров тонкого двухжильного провода, а стеклянную трубку, ведущую в колбу, соединяют с жидкостным манометром. Вначале подсоединяют провод к источнику низкого напряжения (4 В). Увеличивая ток с помощью реостата, который является в данном случае потребителем, наблюдают увеличение показаний манометра в результате расширения воздуха в колбе при нагревании проводов. Затем подсоединяют провода к источнику более высокого напряжения (36 В), и убеждаются в том, что при передаче той же мощности провода практически не греются.

11. Моделирование хода лучей света в глазу. Колба с водой – это сферическая линза и может служить моделью глаза. Колбу наполняют мыльной водой, чтобы был виден ход лучей света. От осветителя на неё направляют пучок параллельных лучей через собирающую линзу так, чтобы лучи фокусировались на задней стенке колбы. Линза моделирует хрусталик глаза, задняя стенка колбы – сетчатку. Для нормального глаза изображение получается на сетчатке.

Статья подготовлена при поддержке компании «Техпроммаркет». Надежное оборудование-это залог долговечной работы изделий и приборов. Для того чтобы приобрести качественное оборудование требуется затратить малое усилие: зайти на сайт www.TehpromMarket.Ru. На сайте вы сможете приобрести стальной фланцевый кран, клапаны, электроприводы и вентили. В компании «Техпроммаркет» клиент — это не просто покупатель, а прежде всего человек.

Заменяют «нормальную» линзу на линзу с более коротким фокусным расстоянием и получают изображение перед сетчаткой – модель близорукого глаза. Для коррекции «зрения» впереди ставят рассеивающую линзу и получают изображение на сетчатке.

Источник