Выталкивающая сила, плавание тел, судов
«Эврика!» — закричал Архимед, прыгая из ванны. Он понял, что тело в воде теряет часть веса. Почему стальной корабль не тонет, а гвоздь тонет?
Почему тело в воде кажется легче?
Жидкость давит на тело со всех сторон. Но давление снизу больше, чем сверху (потому что глубина больше). В результате возникает выталкивающая сила, направленная вверх.
Именно поэтому в воде легче держать тяжёлый камень — часть его веса «компенсируется» выталкивающей силой.
Сила, выталкивающая тело из жидкости.
На тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной этим телом.
FA = ρж · g · Vпогр
где ρж — плотность жидкости, Vпогр — объём погружённой части тела.
Когда тонет, когда плавает, когда висит в толще?
Объём погружённой части: Vпогр/Vтела = ρтела/ρжидкости
Царь Гиерон поручил Архимеду проверить, не подмешал ли ювелир серебро в золотую корону. Архимед, принимая ванну, заметил, как вода переливается через край — и понял: объём вытесненной воды равен объёму погружённого тела. «Эврика!» («Нашёл!») — закричал он и побежал по улицам Сиракуз голым.
Почему стальные корабли не тонут?
Сталь (ρ = 7800 кг/м³) тяжелее воды — сплошной кусок стали тонет. Но корабль — это полое тело: внутри воздух. Средняя плотность корабля < ρ воды.
Ватерлиния — линия на корпусе, отмечающая максимальную осадку при полной загрузке.
Водоизмещение — масса воды, вытесняемой судном при погружении до ватерлинии.
Шар, наполненный лёгким газом (гелий, водород) или тёплым воздухом, взлетает, потому что его средняя плотность меньше плотности воздуха. Сила Архимеда в воздухе: FA = ρвозд·g·V.
Воздушные шары и дирижабли — это воздушные «корабли».