Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. § 46. Действие жидкости и газа на погружённое в них тело — с. 158
§ 46. Вопрос 1. Приведите примеры явлений из жизни, подтверждающие существование выталкивающей силы.
Существование выталкивающей силы подтверждают многие повседневные явления. Брошенный в воду и отпущенный под водой мяч или пробка всплывают на поверхность. Тяжёлый предмет (например, камень или якорь) в воде поднять намного легче, чем в воздухе. Человек в воде кажется себе «лёгким», а в бассейне может лежать на воде почти без усилий. Огромные стальные суда не тонут, а воздушные шары и дирижабли поднимаются вверх в воздухе. Во всех случаях на тело со стороны жидкости или газа действует сила, направленная вверх, противоположно силе тяжести.
§ 46. Вопрос 2. Чему равна выталкивающая сила, действующая на тело, погружённое в жидкость?
Выталкивающая сила, действующая на тело, погружённое в жидкость, равна весу жидкости в объёме этого тела: Fвыт = Pж = mжg. Здесь mж — масса жидкости, объём которой равен объёму тела. Так как mж = ρжV, то Fвыт = ρжgV, где ρж — плотность жидкости, V — объём погружённого тела, g — ускорение свободного падения. Сила направлена вертикально вверх.
§ 46. Вопрос 3. Объясните, почему на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила.
Жидкость давит на все грани погружённого тела. Силы давления на боковые грани попарно равны и уравновешивают друг друга. Давление в жидкости растёт с глубиной: на нижнюю грань, расположенную на глубине h₂, давит столб жидкости высотой h₂ (давление p₂ = ρжgh₂), а на верхнюю грань, на глубине h₁, — столб высотой h₁ (p₁ = ρжgh₁). Так как h₂ > h₁, то и сила давления снизу F₂ = p₂S больше силы давления сверху F₁ = p₁S. Равнодействующая этих сил Fвыт = F₂ − F₁ = ρжgS(h₂ − h₁) = ρжgV направлена вверх. Это и есть выталкивающая сила.
§ 46. Вопрос 4. Как на опыте показать, что на находящееся в газе тело действует выталкивающая сила?
Какой газ вместо углекислого газа можно использовать в этом опыте?
(рис. 153)
На чашках весов уравновешивают стеклянную колбу, закрытую пробкой, и гирьку (рис. 153). Под колбу ставят широкий сосуд, который полностью её окружает, и наполняют сосуд углекислым газом. Плотность углекислого газа больше плотности воздуха, поэтому он остаётся в сосуде. В углекислом газе на колбу действует большая выталкивающая сила (FА = ρгVg, где ρг больше), чем в воздухе, поэтому вес колбы уменьшается и чашка с колбой поднимается — равновесие нарушается. Это доказывает, что на тело в газе действует выталкивающая сила.
Вместо углекислого газа можно взять любой безопасный газ, плотность которого больше плотности воздуха, например аргон (его плотность около 1,7 кг/м³ при плотности воздуха около 1,2 кг/м³). Хлор по плотности подходит, но ядовит, поэтому в школе его не применяют. Газы легче воздуха (гелий, водород) дадут обратный эффект: выталкивающая сила на колбу уменьшится, и чашка с колбой опустится.
Вместо углекислого газа можно взять любой безопасный газ, плотность которого больше плотности воздуха, например аргон (его плотность около 1,7 кг/м³ при плотности воздуха около 1,2 кг/м³). Хлор по плотности подходит, но ядовит, поэтому в школе его не применяют. Газы легче воздуха (гелий, водород) дадут обратный эффект: выталкивающая сила на колбу уменьшится, и чашка с колбой опустится.