Закон Архимеда. Природа выталкивающей силы

Существование гидростатического давления приводит к тому, что на любое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила. Впервые значение этой силы в жидкостях определил на опыте Архимед. Закон Архимеда формулируется так: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу того количества жидкости или газа, которое вытеснено погруженной частью тела.

Рассмотрим теоретический вывод закона Архимеда. В сосуд (рис. 56) налита жидкость и погружено тело, имеющее форму куба. Ребро куба равно l. Верхняя грань куба находится от поверхности жидкости на глубине h, а нижняя - на глубине . На все грани куба жидкость оказывает давление. При этом силы давления, действующие на боковые грани куба, взаимно компенсируются. На верхнюю грань куба действует направленная вниз сила давления F1, модуль которой

F1=ghS (5.6)

где - плотность жидкости; S - площадь грани куба. На нижнюю грань куба действует направленная вверх сила давления F2, модуль которой

F2=g()S. (5.7)

Так как h<, то F1<F2, т.е. равнодействующая этих двух сил направлена вертикально вверх и представляет собой выталкивающую (архимедову) силу:

FA=F2-F1 (5.8)

Подставив (5.6) и (5.7) в (5.8), найдем, что модуль архимедовой силы

=glS=gV=Pж (5.9)

где V - объем куба (т. е. объем жидкости, вытесненной погруженным телом); Pж - вес вытесненной жидкости. Следовательно, выталкивающая сила по модулю равна весу жидкости, вытесненной погруженной частью тела.

Архимедова сила FA приложена к телу в центре масс вытесненной телом жидкости и направлена против силы тяжести, действующей на это тело. (Необходимо помнить, что закон Архимеда справедлив только при наличии тяжести. В условиях невесомости он не выполняется.)

Условие плавания тел

Поведение тела, находящегося в жидкости или газе, зависит от соотношения между модулями силы тяжести и архимедовой силы FA, которые действуют на это тело. Возможны следующие три случая:

>FA - тело тонет;

=FA - тело плавает в жидкости или газе;

<FA - тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.

Дата добавления: 2014-01-04