Меню

Давление жидкостей и газов на погруженное в них тело физика

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

Если погрузить в воду мячик, наполненный воздухом, и отпустить, то мы увидим, как он тут же всплывет. То же самое произойдет и с щепкой, пробкой и многими другими телами. Какая сила заставляет их всплывать?

Когда тело погружают в воду, на него со всех сторон начинают действовать силы давления воды (рис. 130, а ). В каждой точке тела эти силы направлены перпендикулярно его поверхности. Если бы все эти силы были одинаковы, то тело испытывало бы лишь всестороннее сжатие. Но на разных глубинах гидростатическое давление различно: оно возрастает с увеличением глубины. Поэтому силы давления, приложенные к нижним участкам тела, оказываются больше сил давления, действующих на тело сверху. Преобладающие силы давления действуют в направлении снизу вверх. Это и заставляет тело всплывать.

Заменим все силы давления, приложенные к погруженному в воду телу, одной (результирующей или равнодействующей) силой, оказывающей на тело то же самое действие, что и все эти отдельные силы вместе. Поскольку эта сила направлена вверх, ее называют выталкивающей силой. Есть у нее и другое название — архимедова сила (по имена Архимеда, который впервые указал на ее существование и установил, от чего она зависит). На рисунке 130, б эта сила обозначена как FA .

Архимедова (выталкивающая) сила действует на тело не только в воде, но и внутри любой другой жидкости, так как во всех жидкостях существует гидростатическое давление, разное на разных глубинах. Более того, эта сила действует и в газах, благодаря чему летают воздушные шары и дирижабли.

Но если на любое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, почему же тогда не все тела всплывают на ее поверхность? Почему тонет гвоздь? Почему не всплывает упавший в воду камень? Почему погружается на дно получивший пробоину корабль?

Чтобы понять, почему в одних случаях тела тонут, а в других всплывают, следует учесть, что на любое тело, погруженное в жидкость, действует не только выталкивающая (архимедова) сила FA , направленная вертикально вверх, но и сила притяжения к Земле (сила тяжести) FT , направленная вертикально вниз. От того, какая из этих сил больше, и будет зависеть «судьба» погруженного в жидкость тела. Если это тело было оставлено внутри жидкости в состоянии покоя, то при наличии обеих сил оно начнет двигаться в ту сторону, в которую направлена большая из них. При этом возможны следующие случаи:

1) если архимедова сила меньше силы тяжести ( FА ), то тело будет опускаться на дно, т. е. тонуть (рис. 131, а );

2) если архимедова сила больше силы тяжести ( FА > FT ), то тело будет подниматься вверх, т. е. всплывать (рис. 131, б );

3) если архимедова сила равна силе тяжести ( FА = FT ), то тело будет оставаться в покое.

Благодаря выталкивающей силе вес любого тела, находящегося в воде (или в любой другой жидкости), оказывается меньше, чем в воздухе (а в воздухе меньше, чем в безвоздушном пространстве) . В этом легко убедиться на опыте. Для этого достаточно прикрепить груз к динамометру (или к пружине со стрелкой-указателем) и, запомнив положение стрелки-указателя, опустить груз (не отсоединяя его от динамометра) в сосуд с водой. Мы увидим, как стрелка-указатель прибора переместится вверх, показывая уменьшение веса (рис. 132). Уменьшение веса происходит и при переносе тела из вакуума в воздух (или какой-либо другой газ).

Если вес тела в вакууме (например, в сосуде, из которого откачан воздух) равен Р , то его вес в воздухе будет равен:

где F’A — архимедова сила, действующая на данное тело в воздухе. Для большинства обычных тел (не взлетающих вверх, подобно воздушному шару) эта сила ничтожно мала по сравнению с весом тела в вакууме, и потому ею можно пренебречь. В таких случаях мы будем считать, что

Вес тела в жидкости уменьшается значительно сильнее, чем в воздухе. Если вес тела в воздухе P в возд = P, то вес тела в жидкости оказывается равным:

где FA — архимедова сила, действующая на это тело в данной жидкости.

Из последней формулы следует, что

Поэтому для нахождения архимедовой силы, действующей на то или иное тело внутри какой-либо жидкости, следует взвесить это тело в воздухе и в жидкости, а затем найти разность полученных значений. Это и будет архимедова (выталкивающая) сила.

Читайте также:  Датчик абсолютного давления для фиат стило

1. Какие известные вам из жизни явления указывают на существование выталкивающей силы? 2. Что является причиной возникновения выталкивающей силы? 3. Какие две силы действуют на любое тело, находящееся внутри жидкости или газа? 4. В каком случае тело будет тонуть в жидкости, а в каком всплывать? 5. Почему, находясь под водой, человек иногда может легко поднять предмет, который с трудом удерживает в воздухе? 6. Каким образом можно измерить архимедову силу? 7. Будет ли действовать выталкивающая сила на тело, плотно прилегающее ко дну?

Источник

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

Урок 31. Физика 7 класс ФГОС

Конспект урока «Действие жидкости и газа на погруженное в них тело»

Действие жидкости и газа на погружённое в них тело

«Лучше всего продвигается естественное

исследование, когда физическое

завершается в математическом»

В данной теме речь пойдёт о том, какое действие оказывают жидкости и газы на погруженное в них тело.

Ранее говорилось о том, что жидкость способна создавать давление за счет своего веса не только на дно сосуда, в котором она находится, но и на его стенки. Давление неподвижной жидкости, обусловленное её весом, называют гидростатическим давлением. На данной глубине оно зависит от плотности жидкости и высоты её столба.

Гидростатическое давление на боковую стенку сосуда на данной глубине такое же, как и на дно, если бы дно находилось на этой глубине. Но если жидкость создает давление, обусловленное ее весом, то почему, например, опущенная в ванну с водой резиновая уточка всплывает наверх? Почему ведро воды легко поднимать из колодца, пока оно находится в воде, а в воздухе это сделать трудно? А какая сила поднимает вверх детский воздушный шарик?

Поставим опыт. К пружине подвесим алюминиевый цилиндр и зафиксируем его положение на линейке.

А теперь будем опускать цилиндр в стакан с водой. По мере погружения цилиндра в воду пружинка начинает сжиматься. Этот факт говорит нам о том, что на тело, погруженное в жидкость, действует со стороны жидкости некая сила, направленная вверх. Эту силу называют выталкивающей силой.

Ее значение можно определить, как разность веса тела в воздухе и веса тела в жидкости.

От чего же зависит эта сила? Поставим опыт. Погрузим цилиндр в воду на половину его объема.

Выталкивающая сила уменьшилась в два раза. Из этого следует вывод, что, чем больше погруженный в жидкость объём тела, тем большая выталкивающая сила действует на тело.

А зависит ли выталкивающая сила от плотности жидкости? Проведем опыт. Вырежем из сырого картофеля кубик и опустим его в стакан с пресной водой. Кубик тонет. А теперь опустим этот кубик в стакан с соленой водой — он не тонет, а его верхняя часть находится над поверхностью жидкости. Значит, значение выталкивающей силы, действующей на картофельный кубик в соленой воде, больше, чем в пресной воде. Следовательно, чем больше плотность жидкости, тем большая выталкивающая сила действует на погруженное в нее тело.

Если выталкивающая сила зависит от плотности жидкости, может тогда она зависит и от плотности погружаемого тела? Проверим на опыте. Для этого возьмем два цилиндра одинакового объема, например, алюминиевый и стальной. Как и в первом опыте, подвесим их к динамометру и зафиксируем их положение. А теперь погрузим эти цилиндры в воду. Их показания изменились за счет действия выталкивающей силы.

Если рассчитать значения выталкивающих сил, то они будут абсолютно одинаковые. Значит, выталкивающая сила не зависит от плотности вещества погруженного тела. Таким образом, обобщая результаты всех проделанных опытов, можно утверждать, что выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное полностью или частично в жидкость, тем больше, чем больше объем тела, погруженный в жидкость, и чем больше плотность жидкости.

Как можно вычислить значение выталкивающей силы? Для этого поместим в сосуд с жидкостью какое-нибудь твердое тело. Для простоты дальнейших расчетов, тело будет иметь форму прямоугольного параллелепипеда с основаниями, параллельными поверхности жидкости. Рассмотрим силы, с которыми жидкость действует на погруженное в нее тело.

Читайте также:  Давление в шинах автомобиля газель грузовая

Силы, действующие на боковые поверхности, попарно равны и уравновешивают друг друга. Поскольку точки, к которым приложены силы, находятся на одной и той же глубине. Поэтому эти силы только сжимают тело, но не выталкивают его. Силы, действующие на верхнюю и нижнюю грани, неодинаковы. На верхнее основание тела вниз действует сила гидростатического давления, которое создается весом столба жидкости высотой h1.

На уровне нижнего основания тела давление производит столб жидкости высотой h2. Так как согласно закону Паскаля, давление внутри жидкости передается во все стороны, то на нижнее основание тела снизу вверх с силой F2 давит столб жидкости высотой h2.

Высота столба жидкости h2 больше высоты столба h1. Значит и сила гидростатического давления, действующая на нижнее основание тела вверх, больше, чем сила гидростатического давления, действующая на верхнее основание вниз.

Таким образом, разность сил давления жидкости, действующих на нижнее и верхнее основание тела, и есть выталкивающая сила.

Из рисунка видно, что разность высот столбов жидкости есть высота нашего тела. Тогда можно записать, что выталкивающая сила будет равна

Произведение площади основания тела и его высоты равно объему тела, а произведение плотности жидкости на объем тела равно массе жидкости в объеме погруженного тела. Значит, выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме погруженного в нее тела.

Полученная формула справедлива для тел любой формы.

Известно, что к газам, также применим закон Паскаля. Поэтому, аналогично жидкости на тело действует и газ, в который погружено тело. Чтобы в этом убедится, проведем небольшой опыт. Уравновесим на весах стеклянную колбу с воздухом, опущенную в сосуд.

Затем нальем в сосуд с колбой углекислый газ.

В результате, равновесие весов нарушилось. Следовательно, на колбу действует выталкивающая сила со стороны более тяжелого углекислого газа, в который она погружена.

Теперь можно сделать следующее обобщение: сила, выталкивающая тело из жидкости или газа, направлена противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу. Поэтому если какое-либо тело взвесить в жидкости или газе, то его вес окажется меньше веса в вакууме (пустоте). Именно этим и объясняется, что в воде можно легко поднять тела, которые с трудом можно удержать в воздухе.

Задача 1. При полном погружении гранитной плиты в воду, она вытесняет некоторую её часть. Если объем вытесненной воды составляет 0,8 м 3 , то чему равна выталкивающая сила, действующая на плиту?

Задача 2. Вес алюминиевого бруска в воде на Земле составляет 4998 Н. При его взвешивании в воде на поверхности Луны, вес оказался равным 833 Н. Определите насколько выталкивающая сила, действующая в воде на Земле больше выталкивающей силы, действующей на Луне, если размеры алюминиевого бруска составляют 4×0,3×0,25 м, а коэффициент пропорциональности g на Луне примерно в 6 раз меньше, чем на Земле. Плотность алюминия составляет 2700 килограмм на кубический метр.

На любое тело, погруженное в жидкость или газ, со стороны жидкости или газа действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и приложена к этому телу.

Значение выталкивающей силы зависит от объема тела, погруженного в жидкость или газ, и от плотности жидкости.

Значение выталкивающей силы не зависит от плотности вещества погруженного в жидкость или газ тела.

– Значение выталкивающей силы можно определить, как разность сил гидростатического давления, действующих на нижнее и верхнее основания тела.

Выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме погруженного в нее тела.

Источник

Статика. Закон Архимеда.

Закон Архимеда — закон статики жидкостей и газов, согласно которому на всякое тело, пог­руженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости (газа) и направленная по вертикали вверх.

Этот закон был открыт древнегреческим ученым Архимедом в III в. до н. э. Свои исследования Архимед описал в трактате «О плавающих телах», который считается одним из последних его научных трудов.

Ниже приведены выводы, следующие из закона Архимеда.

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело .

Если погрузить в воду мячик, наполненный воздухом, и отпустить его, то он всплывет. То же самое произойдет со щепкой, с пробкой и многими другими телами. Какая же сила заставляет их всплывать?

Читайте также:  Mitsubishi загорелась лампочка давления масло

На тело, погруженное в воду, со всех сторон действуют силы давления воды (рис. а). В каж­дой точке тела эти силы направлены перпендикулярно его поверхности. Если бы все эти силы были одинаковы, тело испытывало бы лишь всестороннее сжатие. Но на разных глубинах гидростати­ческое давление различно: оно возрастает с увеличением глубины. Поэтому силы давления, приложенные к нижним участкам тела, оказываются больше сил давления, действующих иа тело сверху.

Если заменить все силы давления, приложенные к погруженному в воду телу, одной (резуль­тирующей или равнодействующей) силой, оказывающей на тело то же самое действие, что и все эти отдельные силы вместе, то результирующая сила будет направлена вверх. Это и заставляет тело всплывать. Эта сила называется выталкивающей силой, или архимедовой силой (по имени Архимеда, который впервые указал на ее существование и установил, от чего она зависит). На рисунке б она обозначена как FA.

Архимедова (выталкивающая) сила действует на тело не только в воде, но и в любой другой жидкости, т. к. в любой жидкости существует гидростатическое давление, разное на разных глу­бинах. Эта сила действует и в газах, благодаря чему летают воздушные шары и дирижабли.

Благодаря выталкивающей силе вес любого тела, находящегося в воде (или в любой другой жидкости), оказывается меньше, чем в воздухе, а в воздухе меньше, чем в безвоздушном про­странстве. В этом легко убедиться, взвесив гирю с помощью учебного пружинного динамометра сначала в воздухе, а затем опустив ее в сосуд с водой.

Уменьшение веса происходит и при переносе тела из вакуума в воздух (или какой-либо другой газ).

Если вес тела в вакууме (например, в сосуде, из которого откачан воздух) равен P, то его вес в воздухе равен:

,

где A — архимедова сила, действующая на данное тело в воздухе. Для большинства тел эта сила ничтожно мала и ею можно пренебречь, т. е. можно считать, что Pвозд.=P=mg.

Вес тела в жидкости уменьшается значительно сильнее, чем в воздухе. Если вес тела в воздухе Pвозд.=P, то вес тела в жидкости равен Pжидк = Р — FA. Здесь FA — архимедова сила, действующая в жидкости. Отсюда следует, что

Поэтому чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в какой-либо жидкости, нужно это тело взвесить в воздухе и в жидкости. Разность полученных значений и будет архимедовой (выталкивающей) силой.

Другими словами, учитывая формулу (1.32), можно сказать:

Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом.

Определить архимедову силу можно также теоретически. Для этого предположим, что тело, погруженное в жидкость, состоит из той же жидкости, в которую оно погружено. Мы имеем пра­во это предположить, так как силы давления, действующие на тело, погруженное в жидкость, не зависят от вещества, из которого оно сделано. Тогда приложенная к такому телу архимедова сила FA будет уравновешена действующей вниз силой тяжести mжg (где mж — масса жидкости в объеме данного тела):

.

Но сила тяжести равна весу вытесненной жидкости Рж. Таким образом.

.

Учитывая, что масса жидкости равна произведению ее плотности ρж на объем, формулу (1.33) можно записать в виде:

где Vж — объем вытесненной жидкости. Этот объем равен объему той части тела, которая погру­жена в жидкость. Если тело погружено в жидкость целиком, то он совпадает с объемом V всего тела; если же тело погружено в жидкость частично, то объем Vж вытесненной жидкости меньше объема V тела (рис. 1.39).

Формула (1.33) справедлива и для архимедовой силы, действующей в газе. Только в этом слу­чае в нее следует подставлять плотность газа и объем вытесненного газа, а не жидкости.

С учетом вышеизложенного закон Архимеда можно сформулировать так:

На всякое тело, погруженное в покоящуюся жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) выталкивающая сила, равная произведению плотности жидкости (или га­за), ускорения свободного падения и объема той части тела, которая погружена в жидкость (или газ).

Источник

Adblock
detector