Почему одни тела плавают в жидкости, а другие тонут? Изучим условия плавания тел.

Поставим опыт. Возьмем три тела равного объема, но разной плотности, например, металлический шар, пластмассовый шар и шар, выточенный из дерева. Опустим их в емкости с водой. Металлический шар тонет, пластмассовый шар плавает в воде, а деревянный всплывает. Почему эти тела ведут себя по-разному в одной и той же жидкости?

Известно, что на тело, находящееся в жидкости, действуют две силы: сила тяжестии архимедова сила. Направления этих двух сил противоположны: сила тяжести направлена вертикально вниз, а архимедова сила направлена вверх и выталкивает тело из жидкости. Если сравнивать эти две силы по модулю, то возможны три случая:

1. Если сила тяжести больше, чем архимедова сила, то тело опустится вниз, утонет.

2. Если сила тяжести и архимедова сила равны, то тело будет находиться в равновесии, не тонет и не всплывает.

3. Если сила тяжести меньше архимедовой силы, тело в жидкости будет подниматься вверх, всплывает.

Архимедова сила определяется по формуле Fа =gρжVтела.Объемы тел равны, следовательно, архимедовы силы, действующие на них, при погружении тел в одну и ту же жидкость также равны. 

Формула силы тяжестиFтяж = mg, где m = ρтелаV– масса тела. Тогда Fтяж = gρтелаVтела. Плотности тел различны, значит, при равном объеме их массы различны, следовательно, на них действуют разные по модулю силы тяжести.

Эти формулы отличаются только одной величиной: архимедова сила зависит от плотности жидкости, а сила тяжести – от плотности тела.

Плотность металла больше плотности воды: ρтела > ρж , следовательно, Fтяж > Fа , металлический шар тонет.

Плотность пластмассы примерно равна плотности воды: ρтела = ρж, следовательно, Fтяж = Fа , и шар плавает в жидкости на любой глубине.

Плотность дерева меньше плотности воды: ρтела < ρж, следовательно, Fтяж < Fа , и деревянный шар всплывает.

Итак, подведем итог. Если плотность тела равна плотности жидкости, то тело плавает в жидкости. Если плотность тела меньше плотности жидкости, то тело всплывает на поверхность. Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.

Рассмотрим последний опыт подробнее. Деревянный шар, помещенный в воду, всплывает. При этом часть шара окажется над поверхностью воды, объем погруженной части уменьшается, следовательно, уменьшается архимедова сила. Когда архимедова сила, действующая на погруженную часть тела, будет равна силе тяжести, то тело остановится и будет плавать на поверхности жидкости.

Поставим еще один опыт. Возьмем отливной сосуд и всплывающее на поверхность жидкости тело – деревянный шар. До уровня отливной трубки нальем воду. Измерим вес шара в воздухе и опустим его в отливной сосуд, при этом из сосуда выльется вода, объем которой равен объему погруженной части шара. Определим вес вытесненной воды. Оказалось, вес воды, вытесненной плавающим шаром, равен его весу в воздухе. Повторим этот опыт с плавающим телом – пластмассовым шаром. Результат окажется таким же: вес вытесненной шаром воды равен весу шара в воздухе. Вместо чистой воды нальем в отливной сосуд насыщенный раствор соли. Плотность раствора соли больше, следовательно, архимедова сила больше. Поэтому пластмассовый шар плавает ближе к поверхности, чем в пресной воде. Повторив измерения, снова убеждаемся, что вес вытесненной жидкости равен весу шара в воздухе.

Сформулируем условие плавания тел: тело плавает в жидкости, если вес вытесненной им жидкости равен весу этого тела в воздухе: Pвыт.жидкости = Pтела.

На поверхности воды плавают дерево, пробка, лед, парафин, нефть, масло.

Средняя плотность живых организмов, обитающих в воде, мало отличается от плотности воды, поэтому действующие на них сила тяжести и архимедова сила равны. По этой причине им не нужен такой прочный скелет, как наземным животным. Глубину погружения рыбы изменяют при помощи плавательного пузыря, а киты - за счет уменьшения и увеличения объема легких.

Важно запомнить:

- Если плотность тела больше плотности жидкости, то действующая на него сила тяжести больше архимедовой силы, и тело в жидкости тонет. 

- Если плотность тела равна плотности жидкости, то действующие на него сила тяжести и архимедова сила равны, и тело плавает в жидкости. 

- Если плотность тела меньше плотности жидкости, то тело всплывает на поверхность так, что архимедова сила уравновешивается силой тяжести. Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.

- Вес жидкости, вытесненной плавающим телом, равен весу этого тела в воздухе: 

Pвыт.жидкости = Pтела.