Пресная вода выталкивает человека

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

Отрицательная плавучесть у человека: что это и как это исправить

Тело, погруженное в воду, ведет себя по-разному: держится на поверхности или тонет. Если речь идет о человеке, то можно сказать проще: вы либо умеете плавать, либо нет. Ученые из Олимпийского института США по плаванию установили экспериментальным путем, что всего около 10 процентов людей в мире имеют так называемую отрицательную плавучесть – то есть тонут, даже если пытаются всеми силами удержаться на поверхности воды. Правда, эти данные касаются пресных водоемов любого вида. В соленой морской воде средний показатель отрицательной плавучести снижается до 2 процентов.

Чтобы понять, с чем связана такая отрицательная плавучесть, проводилось множество экспериментов и научных исследований в разных странах мира. В частности, специалисты из Российской академии плавания сделали выводы: умение плавать зависит не только от навыка человека, но и от его физиологических особенностей. Например, от соотношения жировой и мышечной ткани, умения дышать, объема легких и многих других параметров.

Полное отсутствие или минимальное наличие подкожного жира может привести к отрицательной плавучести. Поэтому младенцы, как правило, не могут самостоятельно держаться на воде. Рассчитать необходимые для преодоления отрицательной плавучести параметры в каждом конкретном случае могут спортивные врачи. Если вы хотите научиться держаться на воде, вам потребуется в том числе изменить соотношение мышечной и жировой массы в пользу последней. Но важное значение имеет также вес костной ткани, объем легких и другие особенности организма. Обычно у женщин реже встречается отрицательная плавучесть, поскольку в их организме содержится больше жировых депо, а костно-мышечная ткань менее плотная. Мужчина же способен дать фору за счет объема легких и природной силы, но к неблагоприятным факторам относится большая мышечная масса и тяжелый скелет.

Как правило, если человек делает серию глубоких вдохов, наполняя легкие воздухом, а затем ненадолго задерживает дыхание, он может удержаться на поверхности воды. Если же нет – он как раз относится к вышеупомянутым десяти процентам с отрицательной плавучестью. Но и в этом случае есть ряд приемов, которые могут помочь научиться держаться на воде, если вы идете ко дну даже в морской среде. Иными словами, помочь может техника плавания и сила, которую вы будете прилагать к преодолению отрицательной плавучести.

Специалисты Российской федерации плавания рекомендуют отрабатывать очень эффективные упражнения, преодолевающие отрицательную плавучесть. Например, поза, называемая «медуза» или «солнце», при которой человек лежит на спине на поверхности воды, раскинув руки и делая глубокие вдохи и дробные выдохи. Важный нюанс: ноги нельзя пытаться держать ровно, иначе центр тяжести сместится и вы пойдете ко дну. После глубокого вдоха попытайтесь расслабить мышцы ног и позволить им немного опуститься. Но спину прогибать при этом нельзя, лучше немного прогнуться в пояснице наверх, помогая набранному воздушному объему удерживать тело на поверхности.

Отлично помогают и тренировки на увеличение объема легких и правильный ритм дыхания. Чем больше человек сможет вдыхать воздуха, тем увереннее он будет держаться на поверхности воды. Центр тяжести человека тоже имеет значение – а это индивидуальный показатель. Зная, где он расположен, вы сможете скорректировать положение рук и ног, преодолевая отрицательную плавучесть. Обычно он находится на уровне первого или второго крестцового позвонка, но может и смещаться.

Очень хорошо помогает удержаться на воде поза на спине с заведенными за голову руками. Но ладони при этом должны смотреть вверх. Технику выполнения этого упражнения предлагают специалисты из Академии по плаванию США (Флорида), доказывая ее эффективность наряду с другими методиками. Отличное упражнение – гребок-ротор: одна нога делает движение по часовой стрелке, другая против часовой. Бороться с отрицательной плавучестью помогает освоение навыка плавания стоя, когда над водой видна лишь голова, а ноги и руки выполняют под водой определенный движения, помогающие телу словно зависать в почти статичном состоянии. Важно: не нужно делать никаких резких движений – достаточно развести слегка руки, делая ими круговые движения от себя, а ногами «рисуя» расходящиеся круги, при этом немного словно отталкиваясь от воды кверху.

Общий принцип борьбы с отрицательной плавучестью – системные тренировки после изучения особенностей конкретного организма. Выжить в критической ситуации, если вы внезапно оказались в воде, не умея плавать, поможет простой комплекс мер: не делать резких движений, постараться распластаться на поверхности воды, найдя центр тяжести и расслабив мышцы, раскинуть руки и ноги и дышать равномерно, глубоко, наполняя легкие воздухом. Уши при этом должны погрузиться в воду, подбородок поднят на два-три сантиметра, положение головы ровное, шея не напряжена. И ни в коем случае не поддавайтесь панике, потому что страх способствует увеличению плотности мышц, а это снижает плавучесть. Преодолеть отрицательную плавучесть – в ваших силах!

Источник