Чем можно объяснить сохранение жидкостью своего объема

Узнаем чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем? Какими свойствами обладают жидкости

Отличие жидкостей от твердых тел и газов

Молекулы, составляющие жидкости и газы, не находятся в постоянных положениях. Они могут свободно перемещаться по всему объему, что отличает эти два типа материи от твердых тел, в которых каждый атом или молекула занимают строго определенное место. Благодаря свободному перемещению молекул жидкость и газ приобретают форму того сосуда, в который их помещают. Поэтому при ответе на вопрос о том, какими свойствами обладают жидкости, следует в первую очередь называть их способность изменять свою форму.

Однако газы и жидкости имеют существенное отличие между собой. Например, газы не сохраняют объем и способны заполнять его полностью в том пространстве, которое им предоставлено. Жидкости, в свою очередь, объем сохраняют. Чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем?

Вся разница между тремя состояниями материи заключается в величине сил, которые связывают молекулы и атомы. В твердых телах эти силы велики, поэтому каждая частица твердого вещества сохраняет свое положение. В жидкостях эти силы слабее, поэтому они и позволяют свободно перемещаться молекулам по всему их объему. Однако эти силы намного больше таковых для газов, в которых в ряде случаев можно пренебречь их существованием.

Какими свойствами обладают жидкости?

Жидкость, как и газ, относится к текучим телам, то есть к такому состоянию вещества, действие минимальной внешней силы на которое вызывает пространственное смещение его отдельных молекул и целых слоев относительно друг друга. Если говорить только о строении и свойствах жидкостей, то нужно назвать следующие их основные физические характеристики:

Понятие вязкости

Вязкость является физической величиной, которая определяет способность жидкости сопротивляться любому смещению в ее объеме. Несмотря на то что жидкость является текучей материей, при воздействии внешней силы, которая стремится сместить молекулы жидкости, в ней появляются внутренние силы, которые препятствуют такому смещению. Эти внутренние силы называются когезионными. Они отвечают не только за существование вязкости, но и являются ответом на поставленный вопрос. Чем и объясняется способность жидкостей сохранять свой объем.

Если бы жидкость не обладала вязкостью, то она могла бы течь по любой трубе под действием собственной инерции, и не нужно было бы прикладывать разницу давлений на концах этой трубы, чтобы привести жидкость в движение.

Поверхностное натяжение

Говоря о поверхностных свойствах жидкости, в первую очередь следует назвать поверхностное натяжение. Суть этой физической величины заключается в том, что свободная поверхность вещества проявляет свойства тонкой эластичной мембраны. Подобный феномен связан с наличием сил притяжения между молекулами жидкости.

Силы притяжения, которые действуют на каждую молекулу в толще вещества, направлены во все стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Результирующая сил притяжения, воздействующая на поверхностные молекулы жидкости, направлена внутрь жидкости. Иными словами, перпендикулярно ее поверхности. Именно эта сила ответственна за образование поверхностного натяжения.

Благодаря силам поверхностного натяжения жидкость всегда стремится принять форму, отвечающую наименьшей площади поверхности при таком объеме. Такой формой является шар. Именно поэтому капли воды в невесомости имеют форму шара. Поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры ввиду уменьшения когезионных сил между молекулами жидкости.

Когезия, адгезия и капиллярность

Когезия и адгезия являются конкурирующими свойствами в физике жидкостей. Так, если когезионная сила больше адгезионной, тогда такое вещество не смачивает поверхность твердого тела, и наоборот, если адгезия проявляется сильнее, чем когезия, тогда говорят о явлении смачиваемости.

С явлениями адгезии и когезии также связано такое свойство жидкостей, как капиллярность, то есть способность жидкостей подниматься или опускаться в тонких трубках на высоту, отличную от общего уровня жидкости. Толщина трубок должна быть около 1 мм, чтобы явление капиллярности было заметным.

Плотность жидкости

Данное свойство характерно для любого состояния материи и определяется как количество этой материи или ее масса, содержащаяся в единице объема. Учитывая, что с увеличением температуры многие тела расширяются, их плотность уменьшается. Однако для некоторых веществ это правило может не действовать в определенных интервалах температур. Так, вода при 0 ºC имеет меньшую плотность, чем при 4 ºC.

Плотность, согласно ее определению, равна: ρ = m / V, отсюда можно определить, чему равен объем жидкости или чему равна ее масса, если знать две другие величины. Например, вода при 4 ºC массой 1 кг занимает объем V = m / ρ = 0,001 м 3 = 1 л.

Гидростатическое давление

Под гидростатическим давлением понимают давление, которое оказывает жидкость на погруженное в нее тело ввиду наличия собственного веса у жидкости. Это давление увеличивается с глубиной линейно. Гидростатическое давление действует во всех направлениях одинаково. Помимо глубины, оно зависит еще от плотности жидкости. Наличие этого свойства обуславливает существование выталкивающей силы, открытой Архимедом.

Отметим, что молекулы жидкости расположены достаточно близко друг к другу, кроме того, при незначительном их сближении возникают большие отталкивающие силы, поэтому увеличение внешнего давления в широких пределах практически не изменяет плотности жидкости. Этот факт является ответом на вопрос о том, чем объясняется способность жидкостей сохранять свой объем и не сжиматься в значительном интервале внешних давлений.

Источник

Чем можно объяснить сохранение жидкостью своего объема

Учебник Физика 7 класс Кривченко И.В., размещённый в этой рубрике, включён в федеральный перечень учебников в соответствии с ФГОС. Учебник в цветном полиграфическом исполнении с твёрдым переплетом объёмом 150 страниц вышел из печати в июле 2015 г. в пятом издании. Учебник физики 7 класса рассчитан на 2 урока в неделю и содержит 6 тем курса физики, которые перечислены ниже.

Физика 7 класс, тема 01. Физические величины (7+2 ч)
Физика. Физическая величина. Измерение физических величин.
Цена делений шкалы прибора. Погрешность прямых и косвенных измерений.
Формулы и вычисления по ним. Единицы физических величин.
Метод построения графика. Физика 7 класс, тема 02. Масса и плотность (8+1 ч)
Явление тяготения и масса тела. Свойство инертности и масса тела.
Плотность вещества. Таблицы плотностей некоторых веществ.
Средняя плотность тел и их плавание.
Метод научного познания. Физика 7 класс, тема 03. Силы вокруг нас (13+2 ч)
Сила и динамометр. Виды сил.
Уравновешенные силы и равнодействующая.
Сила тяжести и вес тела. Сила упругости и сила трения.
Закон Архимеда. Вычисление силы Архимеда.
Простые механизмы. Правило равновесия рычага. Физика 7 класс, тема 04. Давление тел (10+0 ч)
Определение давления. Давление жидкости. Закон Паскаля. Давление газа.
Атмосферное давление. Барометр Торричелли. Барометр-анероид.
Вакуумметры. Манометры: жидкостные и деформационные.
Пневматические и гидравлические механизмы. Физика 7 класс, тема 05. Работа и энергия (9+1 ч)
Механическая работа. Коэффициент полезного действия. Мощность.
Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия.
Механическая энергия. Внутренняя энергия.
Взаимные превращения энергии. Физика 7 класс, тема 06. Введение в термодинамику (15+2 ч)
Температура и термометры. Количество теплоты и калориметр.
Теплота плавления/кристаллизации и парообразования/конденсации.
Первый закон термодинамики. Двигатель внутреннего сгорания.
Теплота сгорания топлива и КПД тепловых двигателей.
Теплообмен. Второй закон термодинамики.

Учебник Физика 8 класс Кривченко И.В., размещённый в этой рубрике, включён в федеральный перечень учебников в соответствии с ФГОС. Учебник в цветном полиграфическом исполнении с твёрдым переплетом объёмом 150 стр. вышел из печати в июле 2015 г. в четвёртом издании. Учебник физики 8 класса рассчитан на 2 урока в неделю и содержит 5 тем курса физики, которые перечислены ниже.

Физика 8 класс, тема 07. Молекулярно-кинетическая теория (8+1 ч)
Из истории МКТ. Частицы вещества. Движение частиц вещества.
Взаимодействие частиц вещества. Систематизирующая роль МКТ.
Кристаллические тела. Аморфные тела. Жидкие тела. Газообразные тела.
Агрегатные превращения. Насыщенный пар. Влажность воздуха. Физика 8 класс, тема 08. Электронно-ионная теория (8+1 ч)
Строение атомов и ионов. Электризация тел и заряд.
Объяснение электризации. Закон сохранения электрического заряда.
Электрическое поле. Электрический конденсатор. Электрический ток.
Электропроводность жидкостей, газов и полупроводников. Физика 8 класс, тема 09. Постоянный электрический ток (13+2 ч)
Электрическая цепь. Сила тока. Электрическое напряжение. Работа тока.
Закон Ома для участка цепи. Сопротивление соединений проводников.
Закон Джоуля-Ленца. Электронагревательные приборы.
Полупроводниковые приборы. Переменный ток. Физика 8 класс, тема 10. Электромагнитные явления (8+1 ч)
Магнитное поле. Соленоид и электромагнит. Постоянные магниты.
Действие магнитного поля на ток. Электродвигатель на постоянном токе.
Электромагнитная индукция. Электротрансформатор. Передача электроэнергии.
Электродвигатель на переменном токе. Физика 8 класс, тема 11. Колебательные и волновые явления (9+2 ч)
Период, частота и амплитуда колебаний. Нитяной и пружинный маятники.
Механические волны. Свойства механических волн. Звук.
Электромагнитные колебания. Излучение и прием электромагнитных волн.
Свойства электромагнитных волн. Принципы радиосвязи и телевидения.

Учебник Физика 9 класс Кривченко И.В., размещённый в этой рубрике, включён в федеральный перечень учебников в соответствии с ФГОС. Учебник в цветном полиграфическом исполнении с твёрдым переплетом объёмом 150 стр. вышел из печати в июле 2015 г. в третьем издании. Учебник физики 9 класса рассчитан на 2 урока в неделю и содержит 4 темы курса физики, которые перечислены ниже.

Для перехода к параграфам кликайте нумерацию 01 02 03 04 05 и т.д. вверху страницы. Параграфы каждой темы курса физики снабжены интерактивными вопросами и заданиями.

Физика.ru • Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей

Источник

Три состояния вещества. 7-й класс

Разделы: Физика

Класс: 7

Цели урока: Ознакомление учащихся со свойствами твердых тел, жидкостей и газов в ходе исследования этих свойств, объяснение свойств с точки зрения молекулярного строения вещества, формирование коммуникативных и проблемных компетенций через организацию работы в группах.

Информационно-техническое сопровождение урока: компьютерная презентация “Три состояния вещества” (программа МS Роwer Роint), компьютер, мультимедийный проектор, экран или интерактивная доска, Диск “К и М”.

Приборы и материалы: Набор твердых тел из разного вещества (металла, дерева, пластмассы и т.д.), сосуд с водой, мензурка, 2–3 сосуда разной форы, шприц медицинский, воздушный шарик.

Раздаточный материал: Карточки с заданиями для исследовательской работы, жетоны разного цвета.

1. Организационный момент.

Перед началом урока каждый учащийся получает три жетона разного цвета.

Тема нашего урока “Три состояния вещества”.

В природе вещества встречаются в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Многие из них мы привыкли видеть в каком-либо одном состоянии. Например, железо – в твердом, спирт – в жидком, водород – в газообразном. Однако есть и такие, которые в нашей жизни встречаются сразу в трёх состояниях, например, вода: твердое состояние воды – лед, жидкое – вода, газообразное – водяной пар. В различных состояниях вещества обладают разными свойствами. Давайте попробуем разобраться: почему?

2. Актуализация званий (блиц-опрос).

З. Изучение нового материала.

Давайте попробуем исследовать и сравнить основные свойства твердых тел, жидкостей и газов. Данные исследований необходимо занести в таблицу.

1)Исследовательская работа учащихся в группах.

Карточки с заданиями раздаются учащимся заранее.

Задание 1: “Исследование свойств газов”.

Оборудование: воздушный шарик, медицинский шприц.

Проведите эксперимент и ответьте на вопросы:

Задание 2: “Исследование свойств жидкостей”.

Оборудование: сосуд с водой мензурка, 2–3 сосуда разной формы, медицинский шприц.

Проведите эксперимент и ответьте на вопросы:

Задание 3: “Исследование свойств твердых тел”.

Оборудование: набор твердых тел из разного вещества (металла, дерева, пластмассы и т.д.)

Проведите эксперимент и ответьте на вопросы:

Учащиеся в группах экспериментально исследуют основные свойства твёрдых тел, жидкостей и газов: сохранение формы, объёма, сопротивление сжатию и заполняют таблицу:

Вещество	Форма	Объём	Сопротивление сжатию
Газ
Жидкость
Твёрдое тело

Нам известно, что молекулы одного и того же вещества (например, воды) не отличаются друг от друга, но в чем же причина столь разных свойств вещества в различных агрегатных состояниях?

(Причина в расположении молекул в теле, характере их движения и взаимодействия.)

2) Самостоятельная работа по учебнику.

Подведение итогов самостоятельной работы.

Учащиеся на основе изученного материала описывают молекулярное строение вещества в разных агрегатных состояниях. Учитель, иллюстрируя сообщения учащихся, демонстрирует компьютерные модели строения вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях, характер движения и взаимодействия молекул. Одновременно учащиеся в таблице заполняют графы “Расположение молекул”, “Характер движения молекул”, “Взаимодействие молекул”:

Критерии сравнения	Газ	Жидкость	Твёрдое тело
Расположение молекул
Характер движения молекул
Взаимодействие молекул
Основные свойства

Давайте разомнёмся и попробуем смоделировать движение молекул в твёрдом теле и жидкости.

Упражнение 1. “Прыжки на месте” – модель твёрдого тела. Представьте, что вы молекулы твердого тела (учащиеся прыгают на месте). Тело нагревается (прыжки в быстром темпе), тело охлаждается (прыжки в медленном темпе).

Упражнение 2. “Прыжки на месте с перескоками” – модель жидкости. Представьте, что вы молекулы жидкости (учащиеся прыгают, перескакивая с места на место). Тело нагревается (быстрый темп), тело охлаждается (медленный темп).

4) Фронтальная беседа.

На основе знаний о молекулярном строении попробуем объяснить основные свойства вещества в разных агрегатных состояниях.

1. В каком состоянии находится вещество, если оно сохраняет форму и объем?
А) газообразном
Б) жидком
В) твердом

2. Почему газы не сохраняют объём?
А) Молекулы газа отталкиваются друг от друга
Б) Силы притяжения между молекулами очень слабые
В) Молекулы газа движутся свободно

З. Почему жидкости не имеют формы?
А) Молекулы жидкости слабо взаимодействуют друг с другом
Б) Молекулы жидкости способны перемещаться с места на место
В) Молекулы жидкости не имеют формы

4. Почему в горячей воде сахар растворяется быстрей, чем в холодной?
А) В горячей воде молекулы движутся быстрей
Б) В горячей воде расстояние между молекулами больше, чем в холодной
В) Молекулы сахара притягиваются к молекулам воды

5. Почему в газах и жидкостях диффузии протекает значительно быстрей, чем в твердых телах?
А) Расстояние между молекулами газов и жидкостей больше, чем в твердых телах
Б) Температура газов и жидкостей выше, чем температура твердых тел
В) В газах и жидкостях молекулы свободно перемещаются, а в твёрдых телах нет

6. В каких телах молекулы колеблются около положения равновесия?
А) В твердых
Б) В жидких
В) В газообразных

Рефлексия деятельности на уроке: Учащимся предлагается оценить свои знания с помощью жетонов разного цвета (красного – “Понял все!”, желтого – “Понял, но не все!”, зеленого – “Ничего не понял!”), которые они кладут в конверты разного цвета.

5. Домашнее задание: Пёрышкин А.В. “Физика. 7 класс”, § 10,11.

Источник

Чем можно объяснить сохранение жидкостью своего объема

Главная цель Проверялкина – тренировка умения работать с параграфом: находить/выделять нужные по смыслу фрагменты, выбирать из нескольких подходящих фрагментов более удачный, многократно обращаться к тексту для поиска очередного ответа. В результате ваша зрительная память «схватывает» расположение в тексте важных моментов: определений, закономерностей, выводов; вы привыкаете к терминам и формулировкам. Другими словами, неоднократно перечитывая текст при поиске наилучшего ответа, вы полнее и обдуманнее воспринимаете физику.

Как и любой человек, Проверялкин «хочет» видеть не любой правильный ответ, а тот, который он считает наилучшим. Не расстраивайтесь, просто поищите другой ответ. Ведь разве плохо то, что вы будете знать несколько правильных ответов на один вопрос. Мы рекомендуем обсуждать задания с одноклассниками через наушники с микрофоном (или по телефону).

Важно: для Проверялкина правильным ответом является не только содержательно правильный, но и правильно «добытый». То есть ответы на задания Проверялкина нужно «перетаскивать» из параграфа, а не печатать «от себя» или копировать из других источников, например «готовых домашних заданий». Давайте вспомним, какова главная цель вашей беседы с Проверялкиным? Правильно – тренировка умения работать с материалом параграфа учебника!

Для перехода к проверялкам по темам кликайте номера тем вверху: 01 02 03 04 05 и т.д.

Физика.ru • Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей

Источник

Основные сведения о плавании тел в жидкости

Закон Архимеда. Условия плавания тел

Помимо силы тяжести, на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила — архимедова сила. Жидкость оказывает давление на все части тела, но давление не одинаковое. Ведь нижний край корпуса больше погружен в жидкость, чем верхний, и давление увеличивается с глубиной. Это означает, что сила, действующая на нижнюю сторону корпуса, будет больше, чем сила, действующая на верхнюю сторону. Следовательно, создается сила, которая пытается вытолкнуть тело из жидкости.

Величина архимедовой силы зависит от плотности жидкости и объема той части тела, которая находится непосредственно в жидкости. Сила Архимеда действует не только в жидкостях, но и в газах.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме тела.

Сила Архимеда, действующая на погруженное в жидкость тело, может быть рассчитана по формуле:

На тело внутри жидкости действуют две силы: сила тяжести и сила Архимеда. Под действием этих сил тело может двигаться. Для плавания тела существует три условия:

Закон Архимеда распространяется и на воздухоплавание. Первый воздушный шар был создан в 1783 году братьями Монгольфье. В 1852 году француз Жиффар создал дирижабль — управляемый аэростат с воздушным рулем и пропеллером.

Силы, действующие на погруженное в жидкость тело

Выталкивающая сила.

Наблюдение. Почему сложно погрузить мяч в воду и почему он выпрыгивает из воды, как только мы его бросаем? Почему в море плавать легче, чем в озере? Почему мы можем поднять камень в воде, а не в воздухе?

Газы очень похожи на жидкости. Воспитательная сила также действует на тела, находящиеся в газе. Под действием этой силы воздушные шары, метеозонды и детские шары, наполненные водородом, поднимаются вверх. А от чего зависит выталкивающая сила?

Опыт 1. Два тела разного объема, но одинаковой массы, погрузим полностью в одну и ту же жидкость (воду). Мы видим, что тело большего объема выталкивается из жидкости (воды) с большей силой.

Выталкивающая сила зависит от объема погруженного в жидкость тела. Чем больше объем тела, тем большая выталкивающая сила действует на него.

Опыт 2. Два тела одинакового объема и массы полностью погружены в разные жидкости, например воду и керосин. Неуравновешенность в данном случае свидетельствует о том, что на тело в воде действует большая плавучесть, это можно объяснить тем, что плотность воды больше плотности керосина.

Выталкивающая сила зависит от плотности жидкости, в которую погружено тело. Чем больше плотность жидкости, тем большая выталкивающая сила действует на погруженное в нее тело.

Обобщая результаты наблюдений и опытов можно сделать следующий вывод.

На тело, погруженное в жидкость (газ), действует выталкивающая сила, равная по значению весу жидкости (газа), вытесненной этим телом.

Это утверждение называется законом Архимеда, древнегреческого ученого, который открыл его и, согласно легенде, успешно применил его для решения практической задачи: он определил, содержала ли золотая корона царя Гиерона примеси серебра. Сила, которая выталкивает тело из жидкости или газа, также называется силой Архимеда.

Основываясь на законе Архимеда, вы можете сразу написать формулу для определения силы плавучести, но чтобы лучше понять, почему она возникает, мы выполним несложные вычисления. Для этого рассмотрим тело в форме прямоугольного стержня, погруженного в жидкость так, чтобы его верхний и нижний края были параллельны поверхности жидкости.

Посмотрим, к чему приведет действие сжимающих сил на поверхность этого тела.

Согласно закону Паскаля горизонтальные силы F3 и F4, действующие на симметричные боковые поверхности стержня, попарно равны по величине и противоположно направлены. Стержни вверх не толкают, а только сжимают с боков. Обратите внимание на силы гидростатического давления на верхнем и нижнем крае стержня.

Доказательство существования архимедовой силы

Мы уже знаем, что сила Архимеда является результатом сил давления жидкости на все части тела. На рис. 1 схематически показаны силы, действующие на участки одной и той же площади для тела любой формы. По мере увеличения глубины эти силы увеличиваются, поэтому равнодействующая всех сжимающих сил направлена вверх.

Рис.1. К доказательству закона Архимеда для тела произвольной формы

Однако теперь мы заменяем тело, мысленно погруженное в жидкость, той же жидкостью, которая «затвердела» и сохранила свою плотность (рис. 1). На это «тело» будет действовать та же архимедова сила, что и на это тело: ведь поверхность этого «тела» совпадает с поверхностью выбранного объема жидкости, а сжимающие силы на разных участках поверхности остаются прежними.

Заданный объем жидкости, которая «плавает» внутри той же жидкости, находится в равновесии. Это означает, что гравитационная сила Ft и действующая на нее архимедова сила Fa уравновешены, поэтому они имеют одинаковый размер и направлены в противоположном направлении (рис. 1).

Для тела в состоянии покоя сила тяжести равна весу, а это означает, что сила Архимеда равна весу заданного объема жидкости. А это объем погруженной части тела: ведь мы мысленно заменили ее жидкостью.

Таким образом, мы доказали, что на тело любой формы действует архимедова сила, которая по абсолютной величине равна весу жидкости в объеме, занимаемом телом.

Это доказательство — пример мысленного эксперимента. Это популярный метод рассуждения многих ученых. Но выводы по результатам мысленного эксперимента должны быть проверены в реальном эксперименте. Поэтому мы проверим закон Архимеда на опыте.

Поставим опыт.

Навесим на пружину пустое ведро (так называемое ведро Архимеда) и на него небольшой камень любой формы (рис. 2, а). Обратите внимание на удлинение пружины и замените емкость под камнем, в которую налита вода до уровня сливной трубы (рис. 2, б). Когда камень полностью погружен в воду, вытесняющая его вода сливается через сливную трубу в стакан. Мы заметим, что удлинение пружины уменьшилось из-за плавучести.

Рис. 2. Опыт показывает, что сила Архимеда равна весу воды, вытесненной телом

Теперь давайте выльем воду, которую камень вытолкнул из стакана, в ведро Архимеда — это только увеличивает вес камня за счет веса воды, вытолкнувшей его. И мы увидим, что удлинение пружины такое же, как и до погружения камня в воду (рис. 2, в). Это означает, что сила Архимеда действительно равна весу воды, которую вытолкнул камень.

Равновесие тел в жидкости

Закон Архимеда

Гравитационное поле Земли создает гидростатическое давление, которое приводит к существованию статической подъемной силы, действующей на тела, погруженные в жидкость. Закон, определяющий величину силы плавучести, был открыт Архимедом: данная сила (сила Архимеда (Fa)) равна весу жидкости, объем которой равен объему погруженной в нее части тела:

где ρ — плотность жидкости (газа); V — объем тела, находящийся в веществе; g — ускорение свободного падения.

Сила Архимеда проявляется только при наличии силы тяжести. Таким образом, в условиях невесомости гидростатическое давление равно нулю, что означает Fa = 0.

Сила Архимеда направлена вверх. Он проходит через центр масс вытесняемой телом жидкости (эта точка обозначается буквой С). Точка C называется центром возвышения тела. Положение точки плавучести определяет баланс и устойчивость тела плавучести.

Условия плавания тела в жидкости.

Закон Архимеда позволяет нам объяснить проблемы, связанные с парением тел. Представьте себе тело, которое помещено в жидкость и предоставлено самому себе. Тело тонет, когда его вес превышает вес вытесняемой им жидкости. Когда вес тела и вес жидкости, которую оно перемещает, одинаковы, тело находится в равновесии в жидкости.

Тело плавает и перемещается к поверхности жидкости, если вес жидкости, выталкиваемой телом, превышает вес тела. Когда он поднимается на поверхность жидкости, тело плавает. В этом случае деталь может выступать над поверхностью жидкости.

Условия плавания тел в жидкости для однородных тел (плотность вещества тела ρ=const) определяют следующим образом:

Для неоднородных тел используют понятие средней плотности, при этом среднюю плотность тела сравнивают с плотностью жидкости.

При рассмотрении движения тела на границе жидкостей имеющих разные плотности, учитывают, что сила Архимеда равна:

ρ1 — плотность первой жидкости; ρ2 — плотность второй жидкости; V1 — объем части тела, находящийся в первой жидкости; V2 — объем этого же тела, находящийся во второй жидкости.

Равновесие тел в жидкости

Если средняя плотность тела меньше плотности жидкости, часть тела будет выступать над поверхностью. Для плавучих сооружений очень важно понятие устойчивости плавания. При определении устойчивости баланса тела случаи делятся:

Если тело полностью находится в жидкости и плавает в ней (средняя плотность тела равна плотности жидкости), то для возможных поворотов и движений центр тяжести тела и центр плавучести не меняют свое положение относительно тела. Равновесие устойчиво, если центр тяжести тела находится ниже центра плавучести.

Если бы тело и жидкость были абсолютно несжимаемыми (или их сжимаемость была бы одинаковой), баланс тела был бы безразличен. Но на самом деле твердые тела, как правило, имеют меньшую сжимаемость, чем жидкости. Корпуса из таких материалов равномерно плавают в жидкостях одинаковой плотности.

Гораздо более сложный случай, когда тело не полностью находится в жидкости, когда деталь выступает над свободной поверхностью жидкости. В этом случае перемещение тела из положения равновесия вызывает изменение формы объема жидкости, которую тело вытесняет. Происходит изменение положения центра плавучести относительно тела.

Устойчивость равновесия такого тела определяется представлением о метацентре плавающего тела. Это точка, назовем ее M, которая получается на пересечении вертикальной оси симметрии тела и линии действия силы плавучести. Если метацентр расположен выше центра масс тела, то момент силы плавучести пытается вернуть тело в равновесие, а значит, тело плавает равномерно.

Примеры задач на плавание тел

Средняя плотность подводной лодки равна плотности воды. Может ли эта лодка висеть на определенной глубине в затопленном состоянии?

Предположим, что на данной глубине средняя плотность лодки равна плотности воды. Пусть лодка по какой-то причине погрузится немного глубже. Сжимаемость лодки определяется больше сжимаемостью ее конструкции, чем сжимаемостью ее материала. На самом деле сжимаемость лодки всегда намного больше сжимаемости воды.

Это означает, что при небольшом дополнительном погружении лодки гидростатическое давление увеличивается, что приводит к деформации ее корпуса. При этом средняя плотность лодки увеличивается, она становится выше плотности воды, лодка погружается все глубже и глубже. Точно так же мы можем рассматривать случай, случайным образом уменьшая глубину погружения лодки. В этом случае условия равновесия будут нарушены, и лодка поплывет.

Источник