Мы знаем, что на любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы, направленные в противоположные стороны: сила тяжести и архимедова сила. Сила тяжести равна весу тела и направлена вниз, архимедова же сила зависит от плотности жидкости и направлена вверх. Как физика объясняет плавание тел , и каковы условия плавания тел на поверхности и в толще воды?
Условие плавания тел
Согласно закону Архимеда условие плавания тел следующее: если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, то есть плавать в ее толще. Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, то есть всплывать. В случае же, когда вес тела больше выталкивающей его архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, то есть тонуть. Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости. А вот будет тело плавать или тонуть зависит от плотности тела, так как его плотность увеличит его вес. Если плотность тела будет выше плотности воды, то тело утонет. Как же быть в таком случае?
Плотность сухого дерева за счет полостей, наполненных воздухом, меньше плотности воды и дерево может плавать на поверхности. А вот железо и многие другие вещества значительно плотнее воды. Как же возможно строить корабли из металла и перевозить различные грузы по воде в таком случае? А для этого человек придумал небольшую хитрость. Корпус корабля, который погружается в воду, делают объемным, а внутри этот корабль имеет большие полости, заполненные воздухом, которые сильно уменьшают общую плотность корабля. Объем вытесняемой кораблем воды, таким образом, сильно увеличивают, увеличивая выталкивающую его силу, а плотность корабля в сумме делают меньше плотности воды, дабы корабль мог плавать на поверхности. Поэтому каждый корабль имеет определенный предел массы грузов, который он может увезти. Это называется водоизмещением судна.
Различают порожнее водоизмещение - это масса самого судна, и полное водоизмещение - это порожнее водоизмещение плюс общая масса экипажа, всей оснастки, запасов, топлива и грузов, которую может нормально увезти данное судно без риска утонуть при относительно спокойной погоде.
Плотность тела у организмов, населяющих водную среду, близка к плотности воды. Благодаря этому они могут находиться в толще воды и плавать благодаря подаренным им природой приспособлениям - ластам, плавникам и пр. В передвижении рыб большую роль играет специальный орган - плавательный пузырь. Рыба может менять объем этого пузыря и количество воздуха в нем, благодаря чему ее суммарная плотность может меняться, и рыба может плавать на различной глубине, не испытывая неудобств.
Плотность человеческого тела немного больше плотности воды. Однако, человек, когда у него в легких содержится некоторое количество воздуха, тоже может спокойно держаться на поверхности воды. Если же ради эксперимента, находясь в воде, вы выдохните весь воздух из легких, вы медленно начнете опускаться на дно. Поэтому всегда помните, что плавать не страшно, опасно наглотаться воды и впустить ее в легкие, что и является наиболее частой причиной трагедий на воде.
Мы знаем, что на любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы: выталкивающая (архимедова) сила F А , направленная вертикально вверх, и сила тяжести F T , направленная вертикально вниз. Если эти силы равны, т. е.
F T = F А (48.1)
то тело будет находиться в равновесии.
Равенство (48.1) выражает условие плавания тел : для того чтобы тело плавало, необходимо, чтобы действующая на него сила тяжести уравновешивалась архимедовой (выталкивающей) силой .
Условию плавания тел можно придать иную форму. Представим архимедову силу в виде
F A = ρ ж V ж g .
Аналогичным образом можно выразить и силу тяжести, действующую на тело. Мы знаем, что F Т = mg , где m - масса тела; но масса тела равна произведению плотности тела на его объем: m = ρV . Поэтому
F Т = ρVg . (48.3)
Подставим выражения (48.2) и (48.3) в равенство (48.1):
ρVg = ρ ж V ж g .
Разделив обе части этого равенства на g , получим условие плавания тел в новой форме:
ρV = ρ ж V ж . (48.4)
Из полученного соотношения можно вывести два важных следствия.
1. Для того чтобы тело плавало, будучи полностью погруженным в жидкость, необходимо, чтобы плотность тела была равна плотности жидкости.
Доказательство . Если тело полностью погружено в жидкость, то объем вытесняемой телом жидкости будет равен объему всего тела (см. рис. 134, а ): V Ж = V . А раз так, то эти объемы в формуле (48.4) можно сократить. При этом останется: ρ = ρж , что и требовалось доказать.
2. Для того чтобы тело плавало, частично выступая над поверхностью жидкости, необходимо, чтобы плотность тела была меньше плотности жидкости.
Доказательство . Если тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости, то объем вытесняемой телом жидкости будет меньше объема всего тела (см. рис. 134, б ): V Ж < V . А раз так, то для сохранения равенства (48.4) необходимо, чтобы плотность жидкости была больше плотности тела: ρ ж > ρ , что и требовалось доказать.
При ρ > ρ ж плавание тела невозможно, так как в этом случае сила тяжести превышает архимедову силу, и тело тонет.
Что будет происходить с телом, у которого ρ < ρ ж
, если его полностью погрузить в жидкость? В этом случае архимедова сила будет преобладать над силой тяжести, и потому тело начнет подниматься вверх. Пока тело будет двигаться, будучи полностью погруженным в жидкость, архимедова сила будет оставаться неизменной. Но как только тело достигнет поверхности жидкости и появится над ней, эта сила (по мере уменьшения объема части тела, погруженной в жидкость) будет становиться все меньше и меньше. Всплытие прекратится тогда, когда архимедова (выталкивающая) сила уменьшится и станет равной силе тяжести. При этом, чем меньшей плотностью (по сравнению с плотностью жидкости) обладает тело, тем меньшая его часть останется внутри жидкости (рис. 135).
1. Сформулируйте условие плавания тел. 2. В каком случае тело плавает полностью погруженным в жидкость? 3. В каком случае тело плавает, частично выступая над поверхностью жидкости? 4. Предположим, что в сосуд налили воду н керосин. Какая из этих жидкостей расположится сверху? 5. В какой из следующих жидкостей будет плавать лед: в керосине, в воде или в спирте? 6. В какой из следующих жидкостей будет плавать гвоздь: в ртути или в машинном масле? 7. Куриное яйцо тонет в пресной воде, но плавает в соленой. Почему? 8. Как зависит глубина погружения плавающего тела от его плотности?
Экспериментальное задание.
Опустите сырую картофелину в стеклянную банку с пресной водой. Почему она тонет? Как будет вести себя картофелина, если в воду насыпать соль? Медленно высыпая соль и размешивая воду, добейтесь того, чтобы картофелина могла плавать в толще воды, будучи полностью в нее погруженной. Какой должна быть плотность соленой воды, чтобы это было возможным?
§ 52. Плавание тел — Физика 7 класс (Перышкин)
Краткое описание:
Архимедова или выталкивающая сила действует на все тела, которые погружены в жидкость. В этом вы имели возможность убедиться, читая два предыдущих параграфа. Но почему-то некоторые тела под действие этой силы реально выталкиваются на поверхность и там плавают, а другие тонут. Почему так? В этом нет ничего странного. Одна и та же сила может вытолкнуть одно тело и не может другое. Потому что ей противодействует другая сила, сила, действующая на любое тело со стороны Земли – сила тяжести. Архимедовой силу приходится сравнивать с силой тяжести, которая зависит от массы тела. И если масса большая, то архимедова сила может и не справиться с выталкиванием, тогда тело тонет.
Получается всё зависит от соотношения двух сил – архимедовой силы и силы тяжести, потому чо только они две действуют на тело в жидкости. Если больше сила тяжести – тело тонет, если больше выталкивающая (архимедова) сила – тело всплывает. Они могут быть и равны, тогда тело плавает, не тонет, не всплывает. Вот об этом вы прочитаете в параграфе пятьдесят два. Там же вас научат определять по таблице плотностей некоторых веществ, будет ли тело плавать.
Плавание тел — состояние равновесия твердого тела, частично или полностью погруженного в жидкость (или газ).
Основная задача теории плавания тел — определение равновесия тела, погруженного в жид-кость, выяснение условий устойчивости равновесия. На простейшие условия плавания тел указы-вает закон Архимеда . Рассмотрим эти условия.
Как известно, на все тела, погруженные в жидкость, действует сила Архимеда F A (выталки-вающая сила), направленная вертикально вверх, однако всплывают далеко не все. Чтобы понять, почему одни тела всплывают, а другие тонут, необходимо учесть еще одну силу, действующую на все тела, — силу тяжести Fт которая направлена вертикально вниз, т. е. противоположно F A . Если тело оставить внутри жидкости в состоянии покоя, то оно начнет двигаться в сторону, в ко-торую направлена большая из сил. При этом возможны следующие случаи:
- если архимедова сила меньше силы тяжести (F A < F т ), то тело опустится на дно, т. е. утонет (рис. а );
- если архимедова сила больше силы тяжести (F A > F т ), то тело всплывет (рис. б );
Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.
Летательные аппараты, применяемые в воздухоплавании, называют аэростатами (от греч. aer — воздух, status — стоящий). Неуправляемые аэростаты свободного полета с оболочкой, име-ющей форму шара, называют воздушными шарами . Для исследования верхних слоев атмосферы (стратосферы) еще не так давно применялись огромные воздушные шары — стратостаты . Уп-равляемые аэростаты (имеющие двигатель и воздушные винты) называют дирижаблями .
Воздушный шар не только сам поднимается вверх, но может поднять и некоторый груз: каби-ну, людей, приборы. Для того, чтобы определить, какой груз способен поднять воздушный тар, следует знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между ар-химедовой силой и действующей на шар силой тяжести:
F = F A - F т.
Чем меньше плотность газа, наполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше дейс-твующая на него сила тяжести и тем больше возникающая подъемная сила. Воздушные шары можно наполнять гелием, водородом или нагретым воздухом. Хотя у водорода меньше плотность, чем у гелия, все же чаще в целях безопасности применяют гелий (водород — горючий газ).
Гораздо проще осуществить подъем и спуск шара, наполненного горячим воздухом. Для этого под отверстием, находящимся в нижней части шара, располагают горелку. Она позволяет регули-ровать температуру воздуха, а значит, и его плотность и подъемную силу.
Можно подобрать такую температуру шара , при которой вес шара и кабины будет равен вы-талкивающей силе. Тогда шар повиснет в воздухе, и с него будет легко проводить наблюдения.
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Плавание тел. Учитель физики МБОУ «Краснохолмская сош №2 им.С.Забавина»: Даузе М.Г.
На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести и архимедова сила. F т F А F т F А F А
Если сила тяжести больше архимедовой силы, то тело будет опускаться на дно, тонуть.
Если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости.
Если сила тяжести меньше архимедовой силы, то тело будет подниматься из жидкости, всплывать.
Если F т > F А, то m g > g ρ ж v т ρ т v g > g ρ ж v т ρ т > ρ ж Тело тонет
Если F т = F А mg = g ρ ж v т ρ т v g = g ρж v т ρ т = ρ ж плавает внутри жидкости
Если тело плавает в жидкости, то вес вытесненной им жидкости равен весу этого тела в воздухе. Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.
Когда рыба с помощью мышц опускается на большую глубину и давление воды на неё увеличивается, плавательный пузырь сжимается, объём тела рыбы уменьшается и она не выталкивается вверх, а плавает в глубине.
В воде плавают три тела шарообразной формы равного объема. Плотность какого тела больше? A B C Парафин Медь Сосна Масло машинное
Задача. Плот площадью 50 м 2 находится в пресной воде. Глубина его погружения 0,25 м. Какова сила тяжести, действующая на плот?
Дано: S = 50м 2 Ρ = 1000 кг/м 3 H = 0,25 м F т = ? F т F A Решение. F т = F А F A = ρ g V , V = S H F т = 1000 кг/м 3 * 10 Н/кг * 50 м 2 * 0,25 м = 125000 Н = 125 кН Ответ: 125 кН
Домашнее задание: Параграф 50, упражнение 25 страница 122.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
Формирование УУД на уроках физики при изучении темы «Условия плавания тел. Плавание судов»
Материал можно использовать при подготовке уроков в рамках реализации ФГОС. Использованы технологии обучения на основе системно-деятельностного подхода....
Мастер-класс. Формирование УУД на уроке физики при изучении темы " Плавание тел. Условия плавания тел."
В соответствии с ФГОС основного общего образования современному обществу нужны образованные, нравственные люди, которые могут самостоятельно принимать решения. «Человек образованный – тот, кто з...
