Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. § 48. Плавание тел — с. 167
Задание 34. Пункт 2. Во все времена людям были интересны игрушки, основанные на различных физических явлениях. Предлагаем вам создать игрушку, которая известна уже более 350 лет. Называется она «картезианский водолаз» и демонстрирует зависимость плавучести тела от сжатия сосуда, в котором оно находится. Найдите в Интернете описание этого прибора, изучите его историю. Изготовьте игрушку, объясните принцип её действия. Продемонстрируйте с её помощью условия плавания тел.
История. Картезианский водолаз (картезианский чертик) назван в честь французского учёного Рене Декарта (латинизированное имя Картезий), жившего в XVII веке. Игрушка известна более 350 лет и издавна использовалась для демонстрации законов плавания.
Изготовление. Возьмём прозрачную пластиковую бутылку с плотной крышкой (0,5–1,5 л) и заполним её водой почти до горлышка. В качестве водолаза используем маленькую пробирку, пипетку или колпачок от ручки с небольшим грузом (кусочек пластилина, скрепка). Водолаз должен плавать вверх дном, содержа внутри немного воздуха. Груз подбирают так, чтобы водолаз едва всплывал: его верхняя точка чуть выступает над водой. Водолаза опускают в бутылку, бутылку заполняют водой до краёв и закрывают крышкой без воздушного пузыря.
Принцип действия. Сжимаем бутылку руками. Давление в воде, согласно закону Паскаля, передаётся во все стороны и сжимает воздух в водолазе. Объём воздушного пузырька уменьшается, в трубку входит дополнительная вода, и вес водолаза увеличивается, а вытесняемый им объём воды уменьшается. Архимедова сила падает: FА < Fтяж, и водолаз тонет. Когда сжатие прекращаем, воздух расширяется и вытесняет воду, архимедова сила снова увеличивается, и водолаз всплывает.
Демонстрация условий плавания. Пока пузырёк большой, FА > Fтяж, и водолаз всплывает. Если слегка сжать бутылку, можно подобрать нажим, при котором FА = Fтяж, и водолаз зависает на любой глубине внутри жидкости. При более сильном нажиме Fтяж > FА, и он тонет. Так одна игрушка показывает все три условия: тело всплывает, плавает внутри жидкости и тонет.
Оговорка: результат зависит от размеров водолаза и количества воздуха в нём; груз и объём пузырька подбирают опытным путём.
Изготовление. Возьмём прозрачную пластиковую бутылку с плотной крышкой (0,5–1,5 л) и заполним её водой почти до горлышка. В качестве водолаза используем маленькую пробирку, пипетку или колпачок от ручки с небольшим грузом (кусочек пластилина, скрепка). Водолаз должен плавать вверх дном, содержа внутри немного воздуха. Груз подбирают так, чтобы водолаз едва всплывал: его верхняя точка чуть выступает над водой. Водолаза опускают в бутылку, бутылку заполняют водой до краёв и закрывают крышкой без воздушного пузыря.
Принцип действия. Сжимаем бутылку руками. Давление в воде, согласно закону Паскаля, передаётся во все стороны и сжимает воздух в водолазе. Объём воздушного пузырька уменьшается, в трубку входит дополнительная вода, и вес водолаза увеличивается, а вытесняемый им объём воды уменьшается. Архимедова сила падает: FА < Fтяж, и водолаз тонет. Когда сжатие прекращаем, воздух расширяется и вытесняет воду, архимедова сила снова увеличивается, и водолаз всплывает.
Демонстрация условий плавания. Пока пузырёк большой, FА > Fтяж, и водолаз всплывает. Если слегка сжать бутылку, можно подобрать нажим, при котором FА = Fтяж, и водолаз зависает на любой глубине внутри жидкости. При более сильном нажиме Fтяж > FА, и он тонет. Так одна игрушка показывает все три условия: тело всплывает, плавает внутри жидкости и тонет.
Оговорка: результат зависит от размеров водолаза и количества воздуха в нём; груз и объём пузырька подбирают опытным путём.