Архимедова сила - это невидимая сила, окружающая нас повсюду. Благодаря ей мы можем плавать в воде и летать на воздушных шарах. Но что же это такое на самом деле и откуда она берется? Давайте разберемся!
Что такое архимедова сила
Архимедова сила - это сила, действующая на тело, погруженное в жидкость или газ. Она выталкивает тело вверх, противодействуя силе тяжести.
Формула для вычисления архимедовой силы имеет вид:
FA = ρж * g * V
где:
- FA - архимедова сила
- ρж - плотность жидкости или газа
- g - ускорение свободного падения
- V - объем погруженной части тела
Этот закон был открыт древнегреческим ученым Архимедом. Согласно легенде, он догадался о существовании этой силы, наблюдая, как при погружении его тела в ванну с водой уровень воды повышается.
Мы сталкиваемся с проявлениями архимедовой силы в повседневной жизни. Например, когда:
- плаваем в бассейне или открытом водоеме
- играем с воздушными шарами
- поднимаем тяжелый предмет в воде
- наблюдаем за всплытием бревен или кораблей
Как вычислить величину архимедовой силы
Величина архимедовой силы, действующей на тело в жидкости или газе, зависит от двух основных факторов:
- Объема погруженной в жидкость части тела. Чем больше объем - тем больше вытесняемой жидкости, и, следовательно, тем больше выталкивающая сила.
- Плотности жидкости. Чем выше плотность жидкости - тем больше масса вытесненной части и больше архимедова сила.
Давайте рассмотрим пример расчета. Нужно найти архимедову силу, действующую на кубик со стороной 10 см при полном погружении в воду. Плотность воды 1000 кг/м3, ускорение свободного падения g = 10 м/с2. Подставляем значения в формулу:
FA = ρж * g * V = 1000 * 10 * (0,1)^3 = 10 Н
Итак, архимедова сила, действующая на кубик в воде, равна 10 Н.
Почему тела всплывают или тонут
Поведение тела в жидкости или газе (тонет оно, всплывает или зависает внутри) зависит от соотношения плотностей этого тела и окружающей его среды:
- Если плотность тела больше плотности жидкости - тело тонет.
- Если плотности равны - тело зависает в толще жидкости в равновесии.
- Если плотность тела меньше - тело всплывает.
Например, железный корабль, который тяжелее воды, тем не менее плавает, потому что его корпус заполнен воздухом. А если корабль получит пробоину и начнет заполняться водой, его плотность увеличится - и он пойдет ко дну.
Подводные лодки используют этот принцип, чтобы регулировать свою глубину погружения. Они заполняют специальные цистерны водой или выпускают оттуда воздух, чтобы изменять общую плотность лодки.
Действие архимедовой силы на газы
Архимедова сила действует на тела, погруженные в газ, точно так же, как и в жидкостях. Зависимость такая же:
- Чем больше объем погруженной части тела - тем больше выталкивающая сила.
- Чем выше плотность газа - тем больше эта сила.
Рассмотрим пример с воздушным шариком, наполненным гелием. Плотность гелия меньше плотности воздуха. Поэтому сила Архимеда выталкивает шарик вверх. А если бы мы наполнили такой же шарик обычным воздухом, он бы упал - потому что плотности воздуха внутри и снаружи одинаковы.
Тот же принцип используется в дирижаблях и аэростатах. Их заполняют легким газом, чтобы подняться вверх. А для спуска часть газа выпускают.
Три случая, когда архимедова сила не работает
Хотя архимедова сила действует повсеместно в жидкостях и газах на Земле, есть три случая, когда она "отключается":
- Невесомость. Например, на орбите Земли или других космических объектах, где отсутствует гравитация.
- Тело плотно прижато к поверхности жидкости или газа. В этом случае между телом и поверхностью нет никакой среды, которая могла бы "выталкивать".
- Растворы и смеси. Если плотность частиц однородна во всем объеме, выталкивающей силы тоже не возникает.
История открытия закона Архимеда
Согласно легенде, Архимед открыл закон, носящий ныне его имя, когда размышлял над задачей, которую ему дал сиракузский царь Гиерон II.
Нужно было определить, сделана ли царская корона из чистого золота, не повредив саму корону. Архимед долго ломал над этим голову. И внезапно, опустившись в наполненную водой ванну, заметил, что уровень воды поднялся. Так он понял, что объем его тела равен объему вытесненной им воды. А если опустить в сосуд с водой корону - то по объему вытесненной воды можно рассчитать плотность металла!
С этим озарением Архимед выбежал на улицу и громко закричал знаменитое "Эврика!", что в переводе с древнегреческого означает "Нашел!". Так родился его закон.
Интересные факты об архимедовой силе
Архимедова сила иногда проявляет себя довольно неожиданными способами. Несколько любопытных примеров:
- Один из методов подъема затонувших кораблей основан на заполнении бортов корабля пенопластовыми шариками. Это позволяет уменьшить плотность судна и заставить архимедову силу "вытолкнуть" корабль на поверхность.
- В комиксах про Дональда Дака главный герой таким же методом - с помощью воздушных шариков для пинг-понга - поднимает со дна затонувшую яхту Скруджа МакДака.
Как использовать знания об архимедовой силе
Понимание принципов действия архимедовой силы позволяет эффективно использовать ее в быту и технике.
Например, чтобы легче держаться на воде, нужно расслабить мышцы и глубоко вдохнуть - так мы увеличим объем легких и, соответственно, выталкивающую силу.
А чтобы поднять на дне бассейна тяжелый предмет, например, гантель, достаточно набрать полные легкие воздуха, нырнуть и дотянуться до предмета. Выталкивающая сила существенно облегчит эту задачу.
На кораблях и судах знание закона Архимеда позволяет правильно рассчитывать осадку и грузоподъемность. А также регулировать плавучесть заполнением специальных цистерн.
Заблуждения об архимедовой силе
С архимедовой силой связано два распространенных заблуждения:
- Что тела в жидкости ведут себя так же, как в воздухе. На самом деле выталкивающая сила существенно меняет картину.
- Что архимедова сила зависит от массы тела. На самом деле она определяется объемом погруженной части и не зависит от массы.
Эти ошибочные представления мешают правильно оценивать поведение объектов в жидкостях и газах.
Интересные вопросы и гипотезы
Изучение архимедовой силы до сих пор оставляет открытыми некоторые вопросы:
- Каков механизм действия этой силы на микроуровне, на уровне отдельных молекул?
- Существуют ли проявления архимедовой силы в космическом пространстве, например на планетах с плотной атмосферой?
Ответы на эти вопросы, возможно, позволят по-новому взглянуть на природу этого удивительного явления и найти ему еще более интересные применения.
Аналоги архимедовой силы в других силовых полях
Хотя архимедова сила обычно рассматривается применительно к жидкостям и газам, существуют и другие силовые поля, где возникают аналогичные эффекты.
Например, в поле центробежных сил при вращении жидкости более плотные частицы выталкиваются к периферии. Это и лежит в основе процесса центрифугирования.
В неоднородном магнитном поле немагнитные вещества (диамагнетики) выталкиваются из зон с бóльшей напряженностью поля в зоны с меньшей. Это тоже проявление архимедовой силы.
Архимедова сила в художественных произведениях
Закон Архимеда часто используется писателями и сценаристами как основа для сюжетных поворотов и научно-фантастических идей.
Например, Жюль Верн в романе "Таинственный остров" подробно описывает, как герои используют знание архимедовой силы, чтобы поднять со дна моря затонувшую подводную лодку.
В фильме "Человек-амфибия" главный герой благодаря операции становится существом, способным дышать под водой. Там показано, как архимедова сила помогает ему плавать и нырять.
Архимедова сила в повседневных задачах
Помимо научных и технических приложений, понимание закона Архимеда помогает решать и некоторые бытовые задачи.
Например, чтобы определить, будет ли тело тонуть в жидкости, достаточно сравнить их плотности. А чтобы предмет всплыл, его можно привязать к поплавку.
При купании в море, чтобы не уставать и легко держаться на воде, следует расслабить мышцы и сделать глубокий вдох. Так мы увеличим действие выталкивающей силы.
Архимедова сила в живописи и графике
Художники также нередко обращались к теме архимедовой силы в своих произведениях.
На картине Яна Стена "Архимед, опускающийся в ванну" запечатлен легендарный момент открытия закона:
А на этой гравюре Альбрехта Дюрера показаны весы, демонстрирующие действие выталкивающей силы на тела различной плотности:
В картине Виктора Васнецова "Ковочный цех" мы видим, как работники усилием поднимают с помощью системы блоков тяжелую наковальню, частично погруженную в воду. Здесь художник тоже использовал идею облегчения груза за счет действия архимедовой силы:
