Жидкость воздух или вода

Вода в воздухе и воздух в воде

Среди газов, составляющих атмосферу Земли, немало водяного пара – около 13 тысяч кубических километров. Это примерно стотысячная доля всех водных запасов Земли.

В отличие от других газов, входящих в состав атмосферы, содержание водяного пара в ней постоянно меняется от долей до четырех процентов.

Молекулы жидкости всегда находятся в движении и некоторым из них – самым быстрым – удается прорвать поверхность жидкости и уйти в воздух, превратившись в пар. С повышением температуры в жидкости становится все больше быстрых молекул, и жидкость испаряется интенсивнее. Когда температура понижается – то есть скорости молекул уменьшаются – испарение замедляется. Поэтому количество водяного пара в воздухе зависит от температуры водоема и от величины его поверхности.

Одновременно с испарением происходит и обратный процесс – возвращение молекул пара в воду (конденсация). Если количества уходящих и приходящих молекул оказываются равными, говорят, что пар стал насыщенным. Понятно, что эти количества зависят от температуры (чем ниже температура, тем меньше средняя скорость молекул, тем меньше их оказывается способно вырваться из воды) и от давления (чем выше давление воздуха, тем труднее молекулам перебраться в него из воды). При этом в воздухе не может содержаться пара больше, чем в состоянии насыщенности при данной температуре и данном давлении. Если каким–нибудь образом такой излишек все же образуется, часть пара немедленно конденсируется, превращаясь в капельки воды. Это явление хорошо известно всем нам – утренняя роса образуется потому, что в предрассветные часы растения охлаждены сильнее, чем почва. Из–за этого для достижения насыщенности возле них достаточно меньшего количества пара, чем имеется в воздухе. Излишек и превращается. в росу. Поэтому температуру, при которой – при определенном давлении – пар становится насыщенным, называют точкой росы. Если же пара в воздухе мало – излишка нет, соответственно не выпадает роса.

Точно так же объясняется запотевание очков или фотоаппаратов, если внести их с мороза в теплое помещение. И запотевание окон в автобусах или троллейбусах. И еще – образование облаков.

Если воздух, в котором всегда содержится некоторое количество водяного пара, остывает (например, поднимаясь вверх), и при этом проходит точку росы – в нем происходит конденсация пара и образуются облака. Этот процесс легко наблюдать, глядя на пролетающий самолет с реактивным двигателем. Не всегда, но очень часто вырывающийся из его сопла горячий воздух моментально охлаждается. Происходит конденсация, и за самолетом появляется облачный след.

А в воде океана содержится немало растворенных газов. Они поступают в океан из атмосферы, выделяются при химических и биологических процессах (гниении, дыхании и т.д.), при подводных извержениях вулканов.

Важнейшие из них – кислород, углекислый газ, азот и сероводород. Количество их зависит от температуры воды – чем она прохладнее, тем больше растворенного вещества может содержать. Поэтому весной и летом газов в воде меньше, чем осенью и зимой. А в арктических и антарктических водах – больше, чем в водах низких широт. Поэтому здесь много планктона, а за ним сюда приплывают те, кто им питается, – рыбы и другие существа (например, киты). А за ними – рыбоеды (пингвины, дельфины и другие птицы и животные).

Кислород выделяют водоросли, а некоторое его количество захватывается из воздуха. Углекислый газ поступает из атмосферы и из земной коры, образуется при дыхании обитателей океана и при разложении органических веществ.

Сероводород возникает в результате жизнедеятельности бактерий. Он губителен для всех остальных организмов. В Черном море им заражены глубокие горизонты (его содержание в придонных слоях доходит до 6,5 кубических сантиметров на литр) – и поэтому безжизненны.

Океан непрерывно обменивается газами с атмосферой.

Близзард

То, что воздух не находится в покое, всем нам хорошо известно. Но что заставляет его перемещаться с места на место? И есть ли в его перемещениях какие–нибудь закономерности, или предсказать его движение невозможно?

Главные причины движения воздуха заключаются в следующем.

Земная поверхность на разных широтах нагревается неравномерно. И эта неравномерность порождает разницу давлений воздуха и установление довольно стабильных воздушных течений, перемещений воздушных масс, стремящихся выровнять эти давления. Эту систему воздушных течений называют циркуляцией атмосферы Земли (от латинского circulatio – вращение).

В общем виде она выглядит так. Над жаркими экваториальными областями Земли воздух нагревается и поднимается. На освободившееся место приходят новые порции воздуха, и по направлению к экватору в течение всего года дуют очень устойчивые ветры – пассаты. Поднявшийся воздух расходится в разные стороны и постепенно остывает. Остыв, опускается к земной поверхности. Подобный процесс происходит и при отоплении жилья. Батареи (или печь) нагревают воздух, нагреваясь, он расширяется, плотность его уменьшается, и он «всплывает» в окружающем его холодном воздухе – так же, как поднимается наполненный горячим воздухом аэростат. Под потолком он остывает и опускается вниз. Такой же круговорот охватывает всю атмосферу Земли.

Вовлечена в это круговое движение и атмосфера над Антарктидой. Но, в отличие от экваториальных областей, воздушные массы здесь опускаются. Встретив на своем пути антарктический ледник, они, конечно, не становятся теплее. Растекаясь от полюса во все стороны, холодные воздушные массы «стекают» с ледяного купола, рождая стоковые ветры.

Скорости этих ветров таковы, что обычные для метеостанций приборы для их измерения выходят из строя. Приборы эти – либо вертушки, похожие на вентиляторы «наизнанку» (их крутит ветер, и зная, с какой скоростью они вертятся при разных скоростях ветра, можно посчитать скорость ветра), либо пластинки, качающиеся на горизонтальной оси (когда ветра нет, они висят отвесно, а когда ветер есть, они отклоняются от вертикали тем сильнее, чем выше скорость ветра). Для антарктических ветров больше подходит другой (может, не вполне научный) метод измерения скорости: устоял на ногах – 30–35 м/с; опрокинуло в сугроб – более 40, отбросило от двери дома – более 50 м/с. Самая ветреная в Антарктиде – Земля Адели. 24 мая 1912 года здесь была зарегистрирована скорость ветра 103 м/с.

Ураганные ветры (и в Арктике, и в Антарктике) превращают снежный покров в подобие асфальта: на поверхности его возникает жесткая плотная кора наста, такая прочная, что иногда даже тракторные гусеницы почти не оставляют на ней следа. Но пока снег не слежался и не уплотнился, ветер поднимает его в воздух и переносит с места на место. Метели и пурга – обычное явление в обеих полярных областях Земли. В начале XX века участники экспедиций Шеклтона, Скотта и Моусона дали название антарктической пурге – «близ–зард», что означает «ураганная пурга». За год с каждого километра антарктического побережья метели уносят в океан от 1 до 1,5 миллионов тонн снега. Примерно половина его оседает. на шельфовых ледниках, а другая половина тонет в океане. Так же обстоят дела и в Гренландии.

Источник

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