Что значит воду подниматься

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

Может ли вода течь вверх?

ВВЕДЕНИЕ.

Что такое вода?

Этот вопрос совсем не так неразумен, как это может показаться. В самом деле, разве вода — это только та бесцветная жидкость, что налита в стакан? Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную Землю, в котором миллионы лет назад зародилась жизнь, — это вода. Тучи, облака, туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности, — это ведь тоже вода. Бескрайние ледяные пустыни полярных областей, снеговые покровы, застилающие почти половину планеты, — и это вода. Прекрасно, невоспроизводимо бесконечное многообразие красок солнечного заката, его золотых и багряных переливов; торжественны и нежны краски небосвода при восходе солнца. Этот великий художник природы — вода. Кроме того, разве все секреты воды открыты учеными? На этот вопрос сможет ответить только время. Почему нас заинтересовала вода?

Мы хотим узнать, может ли вода течь вверх?

Гипотеза: вода может течь вверх.

Цель исследования: исследовать, может ли вода течь вверх.

Задачи:

1. Изучить информацию о свойствах воды, используя научно–популярную литературу;
2. Провести физические опыты по исследованию свойств воды;
3. Выяснить, когда и при каких условиях вода поднимается вверх;
4. Сформулировать выводы.

При подготовке работы была изучена различная литература, изучены материалы Интернет–сайтов, применены знания, полученные на уроках окружающего мира и на кружке “Калейдоскоп наук”, проведен ряд опытов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Действие силы тяжести

Если вы выпустите книгу из рук, она неизбежно упадет на пол. “Виновата” в этом сила тяжести, которая притягивает все без исключения объекты к центру Земли. А подняв упавшую книгу, вы заметите, что ее внешний вид нисколько не изменился. Она – твердая, а твердые предметы сохраняют свою первоначальную форму. Если, конечно, не прикладывать к ним какую – либо специальную силу.

Теперь представьте себе, что упала не книга, а стакан с водой. Вода выплеснется и в беспорядке растечется. В самом деле, жидкость собственной формы не имеет. Она лишь занимает тот объем, ту форму, в которую налита. Все та же сила тяжести заставляет ее стремиться к самой низкой точке. Одним словом, где вода — там самое низкое место. Почему реки впадают в море? Просто уровень воды в морях ниже. Любая река как бы наклонена к тому морю, в которое она впадает. Ярким доказательством тому, что вода притягивается к Земле и стремится занять самый низкий уровень, являются водопады.

Сообщающиеся сосуды

Конечно, в обычном состоянии вода не сможет подниматься по склону, тем не менее, инженерам удалось заставить ее пересекать горные перевалы. Для этого оказалось достаточным. поместить воду в трубы. Именно так! Вода, бегущая в трубе со склона, давит на массы воды в трубе, поднимающейся в гору. И они, эти тысячи тонн воды, текут вверх! Правда, выше головы не прыгнешь: вода не поднимется выше своего первоначального уровня – высоты первой горы, с которой стекает. Но человек всегда найдет возможность сделать ту точку, из которой вытекает вода, самой высокой, и тогда никакие перевалы ему не страшны!

ЧЕГО НЕ ЗНАЛИ ДРЕВНИЕ?

Жители современного Рима до сих пор пользуются остатками водопровода, построенного еще древними: солидно возводили римские рабы водопроводные сооружения.

Не то приходится сказать о познаниях римских инженеров, руководивших этими работами; они явно недостаточно были знакомы с основами физики. Взгляните на прилагаемый рисунок, воспроизведенный с картины Германского музея в Мюнхене. Вы видите, что римский водопровод прокладывался не в земле, а над ней, на высоких каменных столбах. Для чего это делалось? Разве не проще было прокладывать в земле трубы, как делается теперь? Конечно, проще, но римские инженеры того времени имели весьма смутное представление о законах сообщающихся сосудов. Они опасались, что в водоемах, соединенных очень длинной трубой, вода не установится на одинаковом уровне. Если трубы проложены в земле, следуя уклонам почвы, то в некоторых участках вода должна течь вверх, — и вот римляне боялись, что вода вверх не потечет. Поэтому они обычно придавали водопроводным трубам равномерный уклон вниз на всем их пути (а для этого требовалось нередко либо вести воду в обход, либо возводить высокие арочные подпоры). Одна из римских труб, Аква Марциа, имеет в длину 100 км, между тем как прямое расстояние между ее концами вдвое меньше. Полсотни километров каменной кладки пришлось проложить из–за незнания элементарного закона физики!

ЧЕГО НЕ ЗНАЛИ МЫ?

Исследуя проблему воды, мы столкнулись с задачей. Перед нами было два кофейника одинаковой ширины: один высокий, другой — низкий. Какой из них вместительнее? В какой из этих кофейников можно налить больше жидкости?

Мы, не подумав, решили, что высокий кофейник вместительнее низкого. Однако когда стал лить жидкость в высокий кофейник, то налили его только до уровня отверстия его носика — дальше вода начала выливаться. А так как отверстия носика у обоих кофейников на одной высоте, то низкий кофейник оказался столь же вместительным, как и высокий с коротким носиком.

Это и понятно: в кофейнике и в трубке носика, как во всяких сообщающихся сосудах, жидкость должна стоять на одинаковом уровне, несмотря на то, что жидкость в носике весит гораздо меньше, чем в остальной части кофейника. Если же носик недостаточно высок, вы никак не нальете кофейник доверху: вода будет выливаться. Обычно носик устраивается даже выше краев кофейника, чтобы сосуд можно было немного наклонять, не выливая содержимого.

Капиллярные явления

При определенных обстоятельствах вода способна самопроизвольно подниматься вверх. Если поместить достаточно тонкую трубку (например, соломинку) в сосуд с водой, уровень воды в трубке поднимается выше уровня воды в сосуде. Разница между уровнями воды в сосуде и в трубке будет тем больше, чем меньше внутренний диаметр трубки. Способность воды подниматься в трубке с достаточно узким каналом – один из примеров, так называемых капиллярных явлений, благодаря которым растения способны доставлять воду из почвы к ветвям и листьям. Эти же явления помогают крови циркулировать в человеческом теле, особенно в капиллярах – мельчайших кровеносных и лимфатических сосудах. Кроме того, это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту — от глубоко скрытых в земле корней к листьям и плодам. Сама движется вода вверх в порах промокательной бумаги, когда нам приходится высушивать кляксу, или в ткани полотенца, когда вытираем лицо.

Атмосферное давление

В старину – в 17–18 веках – вельможи забавлялись следующей поучительной игрушкой: изготовляли кувшин, в верхней части которой имелись крупные узорчатые вырезы. Такой кувшин, налитый вином, предлагали незнатному гостю, над которым можно было безнаказанно посмеяться. Как пить из нее? Наклонить нельзя: вино польется из множества отверстий, а до рта не достигнет ни капли. Случится, как в сказке:

Мед, пиво пил,
Да усы лишь обмочил.
–Как выпить содержимое?

Надо заткнуть отверстие В, взять в рот носик и втянуть в себя жидкость, не наклоняя сосуда. Вино поднимется через отверстие Е по каналу внутри ручки, далее по его продолжению С внутри верхнего края кувшина и достигнет носика.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для выяснения того, как вода может течь вверх, мы провели ряд опытов.

Свои наблюдения мы занесли в таблицу:

Опыт 1 – с фонтаном

Для наблюдения используется опытный макет фонтана (два сообщающихся сосуда, соединенных резиновой трубкой). В один из сосудов (резервуар) наливается вода. Другой сосуд имеет отверстие, из которого “бьет фонтан”. Резервуар с водой опускается вниз и поднимается вверх. Вода в сообщающихся сосудах устанавливается на одинаковом уровне. Если резервуар поднимать, то вода сама поднимается вверх (из фонтана).

Опыт 2 – с цветком

Для опыта отбираются несколько цветков на стебле. В воде растворяется марганцево–кислый калий. Вода подкрашивается для того, чтобы можно было наблюдать за поднятием жидкости по стеблю. В подкрашенную воду опускаются цветы. Через некоторое время становится заметно, что подкрашенная вода сама поднимается вверх по стеблю. Ей помогает в этом атмосферное давление. При этом наблюдаются капиллярные явления. Через продолжительное время подкрашенная вода проникает даже в цветы.

Опыт 3 – с пробиркой

Для опыта используется: пробирка химическая, сосуд с горячей водой, сосуд с холодной подкрашенной водой.

Пробирка опускается в горячую воду так, чтобы открытый конец был вверху. Воздух в пробирке некоторое время прогревается. Затем открытый конец пробирки закрывается пластилином или большим пальцем. Пробирка очень быстро переворачивается и опускается в сосуд с холодной водой. Холодная вода сама начинает подниматься вверх. В этом воде помогает атмосферное давление.

В горячей воде воздух в пробирке прогревается, расширяется, частично выходит из пробирки. В холодной воде воздух сжимается. Атмосферное давление подталкивает воду в пробирку.

Опыт 4 – со шприцем

Для опыта используется: шприц демонстрационный или медицинский и сосуд с подкрашенной водой.

Вначале опыта поршень шприца до упора продвигается к отверстию шприца. После этого отверстие шприца опускается в подкрашенную воду. Поршень подтягивается вверх. Вода сама начинает подниматься вверх за поршнем.

В этом воде помогает атмосферное давление, которое подталкивает воду в разреженное пространство.

Опыт 5 – с сообщающимися сосудами

Для проведения опыта используются: электрическая плитка, теплоприемник, манометр, резиновая трубка, подкрашенная жидкость.

В сообщающиеся сосуды манометра наливается подкрашенная вода. Вода устанавливается на одинаковом уровне в обоих сосудах. Один из сообщающихся сосудов соединяется с теплоприемником резиновой трубкой. Разогретая электрическая плитка располагается напротив теплоприемника. Вода в одной из трубок сама начинает подниматься.

От разогретой плитки к теплоприемнику доходят тепловые лучи. Воздух в теплоприемнике нагревается, расширяется, давит на воздух над жидкостью в том сосуде, который соединен резиновой трубкой с теплоприемником. В этой трубочке вода начинает опускаться, а в другой трубке вода начинает подниматься.

Опыт 6 – с термометром

При проведении опыта сначала нужно рассмотреть шкалу термометра и определить температуру воздуха. Резервуар термометра удерживать некоторое время в ладони или опустить в горячую воду. Жидкость сама поднимается вверх по столбику. Резервуар термометра опустить в лед. Жидкость сама опускается.

При нагревании жидкость расширяется и поднимается по столбику. При охлаждении объем жидкости уменьшается, и жидкость опускается вниз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все ли свойства воды понятны ученым!

Конечно, нет! Вода — загадочное вещество.

Недавно было обнаружено новое необыкновенное явление. Оказалось, что вода на Земле изменяет свою природу в зависимости от того, что происходит на Солнце и в космосе. Было замечено, что космические причины влияют на характер протекания в воде некоторых химических процессов, например на скорость появления осадков. Почему — неизвестно.

Многие наблюдения и факты говорят о том, что талая вода обладает особыми свойствами — она более благоприятна для развития живых организмов. Почему — тоже неизвестно.

Но для себя мы поняли, что:

— вода может двигаться вверх;
— вода может подниматься благодаря атмосферному давлению, например, в сообщающихся сосудах или капиллярах.

Можно не сомневаться, что все загадки будут успешно разрешены наукой. Будет открыто еще немало новых, более удивительных загадочных свойств воды — самого необыкновенного вещества в мире.

Литература

1. Всё обо всём. Популярная энциклопедия для детей.– М.: Слово, 1994.
2. Перельман Я. И. Занимательная физика. Книга 2.– М.: Наука, 1979.

Интернет–ресурсы

Работу выполнили:

1. Камьянов Иван, 2–а класс
2. Митина Мария, 2–а класс

Руководители:

1. Беляевская Т.Я., учитель начальных классов
2. Дубас С.П., учитель физики

МОУ СОШ № 12 ЗАТО Шиханы Саратовской области

• Administrator

  4 сентября 2011, 21:48

  Термин «течь» в названии работы, на мой взгляд, не совсем корректен. На самом деле, речь идет о случаях, когда вода поднимается вверх по тем или иным причинам. Назвать течением, допустим, движение воды по каппилярам вверх рука совсем не поднимается.

Хотя, с другой стороны, создать таким термином («течь» вместо «подниматься») интригу для школьников гораздо проще. Но, повторюсь, в печатной работе надо быть аккуратнее.

Иван	5 сентября 2011, 12:02

одним словом молодцы!

Беляевская Татьяна

5 сентября 2011, 19:31

Уважаемый администратор!
Не забывайте, что это ученики второго класса. И именно «создать интригу» необходимо, чтобы привлечь ребятишек к исследовательской деятельности. Конечно, теорию можно было подработать, но тогда это будет не детская работа!

наталья

6 апреля 2012, 10:59

Ребятишки молодцы. Сама занимаюсь исследовательской деятельностью. И всегда восхищаюсь младшими школьнками. Спасибо.

Григорий

13 июля 2013, 00:52

Здорово! Отличная работа!

яна	14 ноября 2013, 00:49

Спасибо. У нас завтра опыт показывают. Зато я теперь буду знать какой а то нам учитель не говорил

Удав Анаконда

11 марта 2014, 08:39

Строго рассуждая, опыт со цветком ничего не доказывает. Вдруг у цветка есть насосики. )) Лучше обычная узкая трубочка, а потом цветок.
И 10 метровое дерево капиллярным явлением не напоишь.
Глупые римские инженеры? Сомневаюсь. скорее они обеспечили равномерный поток воды по всему пути. Представьте, 50 км-я масса воды встречает изгиб на дне оврага. Да его латать сил не оберешься.

Игорь

23 сентября 2015, 14:33

Завидую детям. У меня не было такой увлекательной физики в школе.

1	16 мая 2017, 15:35

В защиту римлян. Я так понимаю, что Вы имеете в виду следующую задачу: 2 горы и надо подать воду захваченную водопроводом на высокой горе через более низкую?

Вы пишите: . и вот римляне боялись, что вода вверх не потечет. Полсотни километров каменной кладки пришлось проложить из–за незнания элементарного закона физики.

Источник