Закон архимеда кратко и понятно
Обновлено: 30.06.2024
Вместе с преподавателем физики разбираемся, в чем измеряется и от чего зависит сила Архимеда. А в конце статьи вспомним известную легенду о том, как был открыт закон Архимеда, и узнаем, действует ли он в условиях невесомости
Как объяснить, почему плавают огромные корабли из стали, которая тяжелее воды? Да еще и перевозят тонны грузов. Это происходит благодаря открытию, сделанному за два с лишним столетия до нашей эры изобретателем и ученым Архимедом.
- Фокусировка световых лучей при помощи зеркал. По легенде, так были сожжены римские корабли, осаждавшие Сиракузы. Недавно энтузиасты провели экспериментальную проверку и удалось поджечь деревянный баркас.
На тело, погруженное в жидкость или газ, действует подъемная, она же выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу вытесненного объема жидкости или газа.
Предыдущая формулировка годится только для участка цепи, где отсутствует сам источник электродвижущей силы. В реальности ток течет по замкнутому контуру, где обязательно есть батарея или генератор, имеющий собственное внутреннее сопротивление. Поэтому формула закона Ома для полной цепи выглядит несколько сложнее
Где: FA — сила Архимеда;
ρ — плотность жидкости или газа, в которое погружают тело;
g — ускорение свободного падения, которое зависит от того, на какой планете или спутнике мы находимся. Для поверхности Земли, например, ускорение примерно равно 9,8 м/с 2 ;
V — объем погруженной в среду части тела.
Архимед и наше время
— Сила Архимеда, она же выталкивающая сила, действует на любое тело, погруженное в жидкость или газ. Эта сила всегда пытается вытолкнуть инородное тело из жидкости или газа.
— Так, например, для определения выталкивающей силы, действующей на камень, лежащий на дне озера, нужно брать весь его объем. Если же определяем силу Архимеда, действующую на мяч, плавающий по этому озеру, то нужно брать лишь объем той части, которая находится под водой. Зависимость выталкивающей силы от ускорения свободного падения позволяет сделать интересный вывод о том, что в невесомости силы Архимеда нет.
Зная, что сила Архимеда зависит от плотности жидкости, можно объяснить следующее явление: куриное яйцо, помещенное в обычную воду, утонет и будет лежать на дне банки. Но стоит добавить в эту банку насыщенный раствор поваренной соли и тем самым изменить плотность воды — и яйцо начинает всплывать.
— Открытие закона Архимеда связано с интересной легендой. Древнегреческий царь Герон II приказал ювелирам изготовить золотую корону, что и было вскоре выполнено. Царь заподозрил, что ювелиры его обманули и сделали корону из электрона, сплава золота и серебра. Отличить подделку на глаз не удалось. Для проверки пригласили ученого из Сиракуз по имени Архимед. Достаточно было сравнить объем короны с объемом куска золота такой же массы.
Сравнив объемы воды, вытесненной короной и куском золота такой же массы, он уличил ювелиров в нечестности и алчности. Так Архимедом был открыт закон, который позволяет нам объяснить, почему ходят по морям и океанам огромные корабли, изготовленные из железа, а маленькая металлическая гайка тонет.
Рассказываем историю открытия и объясняем, почему он важен.
Кто такой Архимед?
Древнегреческий ученый и изобретатель из Сиракуз. Жил в 3-м веке до нашей эры и сделал много открытий в геометрии, заложил основы механики и гидро- и аэростатики. К последним двум относится закон Архимеда.
Как был открыт закон Архимеда?
По распространенной версии, Архимед получил задание от царя Гиерона определить, из чистого ли золота сделана корона. Ученые того времени уже понимали связь между объемом и удельным весом вещества, но корона была неправильной формы. Архимед размышлял над тем, как измерить ее объем.
Решение пришло, когда он принимал ванну (точнее, тазик с водой). Ученый заметил, что когда тело погружается в воду, ее уровень становится выше. Это навело на мысль, что тело вытесняет объем воды, равный собственному объему.
Кстати, корона оказалась с примесями серебра. Архимед понял это, когда равный ей по массе слиток золота вытеснил меньшее количество воды, чем само изделие.
Впоследствии оказалось, что этот закон применим и для предметов, помещенных в газовую среду.
Почему так происходит?
На погружаемое тело действует выталкивающая или подъемная сила (сила Архимеда), равная весу объема вытесненного вещества — жидкости или газа. Это и есть закон Архимеда.
Сама формула силы Архимеда выглядит так:
Чтобы понять, погрузится тело или нет, нужно высчитать его силу тяжести:
- Если сила тяжести больше, чем сила Архимеда, то тело утонет.
- Если обе силы равны, то тело не сможет утонуть или самостоятельно погрузиться. В жидкости оно будет плавать.
- Если сила тяжести меньше, то объект будет плавать на поверхности или подниматься, пока не всплывет.
Но можно обойтись знанием плотности вещества, из которого состоит объект, и вещества среды, в которое он может погрузиться. Тогда получаем:
Как это работает в жизни?
С явлением, описанным законом Архимеда, мы сталкиваемся постоянно. Благодаря этому знанию можете рассчитать конструкцию огромного корабля, который не утонет, и воздушного шара, который поднимется вверх.
Хотя для таких расчетов, конечно, знания основного закона статики недостаточно. Помочь разобраться в теме и сделать точные вычисления могут специалисты ФениксХелп.
Легенду об открытии закона Архимеда многие знают с детства. Но на уроках физики в 7 классе этой историей не отделаешься: надо еще знать, как действует архимедова сила, в чем измеряется и как ее вычислить.
О чем эта статья:
Сила: что это за величина
Прежде чем говорить о силе Архимеда, нужно понять, что это вообще такое — сила.
В повседневной жизни мы часто видим, как физические тела деформируются (меняют форму или размер), ускоряются и тормозят, падают. В общем, чего только с ними не происходит! Причина любых действий или взаимодействий тел — ее величество сила.
Сила — это физическая векторная величина, которая воздействует на данное тело со стороны других тел. Сила измеряется в ньютонах — единице измерения, которую назвали в честь Исаака Ньютона.
Поскольку сила — величина векторная, у нее, помимо модуля, есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.
Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В этом случае результат выражается в направлении движения.
Открытие закона Архимеда
Так вышло, что закон Архимеда известен не столько своей формулировкой, сколько историей возникновения.
Легенда гласит, что царь Герон II попросил Архимеда определить, из чистого ли золота сделана его корона, при этом не причиняя вреда самой короне. То есть расплавить корону или растворить — нельзя.
Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно ведь определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита.
Рассчитать плотность металла, чтобы установить, золотая ли корона, можно по формуле плотности.
Формула плотности тела
ρ = m/V
ρ — плотность тела [кг/м 3 ]
m — масса тела [кг]
V — объем тела [м 3 ]
Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. Тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему.
Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!
Формула и определение силы Архимеда для жидкости
На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют силы давления. Эти силы увеличиваются с глубиной погружения, и на нижнюю часть тела будет действовать со стороны жидкости большая сила, чем на верхнюю.
Равнодействующая всех сил давления, действующих на поверхность тела со стороны жидкости, называется выталкивающей силой или силой Архимеда. Истинная причина появления выталкивающей силы — наличие различного гидростатического давления в разных точках жидкости.
Определение архимедовой силы для жидкостей звучит так:
Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна по модулю весу вытесненной жидкости и противоположно ему направлена.
Формула архимедовой силы для жидкости
ρж — плотность жидкости[кг/м 3 ]
Vпогр — объем погруженной части тела [м 3 ]
g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]
На планете Земля g = 9,8 м/с 2 .
А теперь давайте порешаем задачки, чтобы закрепить, как вычислить архимедову силу.
Задача 1
В сосуд погружены три железных шарика равных объемов. Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? Плотность жидкости вследствие ничтожно малой сжимаемости на любой глубине считать примерно одинаковой.
Решение
Да, так как объемы одинаковы, а архимедова сила зависит от объема погруженной части тела, а не от глубины.
Задача 2
На графике показана зависимость модуля силы Архимеда FАрх, действующей на медленно погружаемый в жидкость кубик, от глубины погружения x. Длина ребра кубика равна 10 см, его нижнее основание все время параллельно поверхности жидкости. Определите плотность жидкости. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с 2 .
Решение
Сила Архимеда, действующая на кубик, равна FАрх = ρжgVпогр.
Vпогр. — объем погруженной части кубика,
ρж — плотность жидкости.
Учитывая, что нижнее основание кубика все время параллельно поверхности жидкости, можем записать:
где а — длина стороны кубика.
ρ = FАрх / ga 2 x
Рассматривая любую точку данного графика, получим:
ρ = FАрхga 2 x = 20,25 / 10 × 7,5 × 10 -2 = 2700 кг/м 3
Ответ: плотность жидкости равна 2700 кг/м 3 .
Условия плавания тел
Из закона Архимеда вытекают следствия об условиях плавания тел.
Погружение
Плавание внутри жидкости
Плавание на поверхности жидкости
Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.
Почему корабли не тонут?
Корабль сделан из металла, плотность которого больше плотности воды. И, по идее, он должен тонуть. Но дело в том, что корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Если корабль получит пробоину, то пространство внутри заполнится водой — следовательно, общая плотность корабля увеличится. Судно утонет.
В подводных лодках есть специальные резервуары, которые заполняют водой или сжатым воздухом. Если нужно уйти на глубину — водой, если подняться — сжатым воздухом. Рыбы используют такой же принцип в плавательном пузыре — наполняют его воздухом, чтобы подняться наверх.
Человеку, чтобы не утонуть, тоже достаточно набрать в легкие воздух и не двигаться — вода будет выталкивать тело на поверхность. Именно поэтому важно не тратить силы и кислород в легких на панику и борьбу, а расслабиться и позволить физическим законам сделать все за нас.
Формула и определение силы Архимеда для газов
На самом деле тут все очень похоже на жидкости. Начнем с формулировки закона Архимеда:
Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в газ, равна по модулю весу вытесненного газа и противоположно ему направлена.
Формула архимедовой силы для газов
ρг — плотность газа [кг/м 3 ]
Vпогр — объем погруженной части тела [м 3 ]
g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]
На планете Земля g = 9,8 м/с 2 .
Сила Архимеда для газов действует аналогично архимедовой силе для жидкостей. Давайте убедимся в этом, решив задачку.
Задача
Груз какой максимальной массы может удерживать воздушный шар с гелием объема 0,3 м 3 , находясь в атмосфере Земли? Плотность воздуха равна 1,3 кг/м 3 . Гелий считать невесомым.
Решение
Подставляем значения и получаем:
По второму закону Ньютона для инерциальных систем отсчета:
Выражаем массу груза и подставляем значения:
m = FАрх / g = 0,39 / 10 = 0, 039 кг = 39 кг
Ответ: груз максимальной массы 39 г может удержать данный шарик с гелием.
Когда сила Архимеда не работает
Архимедова сила не работает лишь в трех случаях:
Невесомость. Главное условие возникновения Архимедовой силы — это наличие веса у среды. Если мы находимся в невесомости, холодный воздух не опускается, а горячий, наоборот, не поднимается.
Тело плотно прилегает к поверхности. Отсутствие газа или жидкости между поверхностью и телом свидетельствует об отсутствии выталкивающей силы — телу просто неоткуда выталкиваться.
Растворы и смеси. Если взять спирт, плотность которого меньше плотности воды, и смешать его с водой, получится раствор. На него не будет действовать сила Архимеда, несмотря на то, что плотность спирта меньше плотности воды — он просто растворится.
Сумму сил гидростатического давления, действующих на тело, покоящееся внутри жидкости, называют силой Архимеда.
Закон Архимеда . На погружённое в жидкость (или газ) тело действует выталкивающая и направленная вертикально вверх сила, равная по модулю весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).
FА = pж • g • V ж = m ж • g = P ж
где: FА — Архимедова сила, pж — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, Vж — объем жидкости, mж — масса жидкости, Pж — вес жидкости.
Плавание — это способность тела удерживаться на поверхности жидкости или на определённом уровне внутри жидкости. Н а любое тело, находящееся в жидкости, действуют две силы, направленные в противоположные стороны: сила тяжести и архимедова сила. Сила тяжести равна весу тела и направлена вниз, архимедова же сила зависит от плотности жидкости и направлена вверх.
Тело тонет, если рт > рж ; тело всплывает, если рт .
Условие плавания тела на поверхности жидкости: для плавания тела на поверхности жидкости необходимо, чтобы сила тяжести уравновешивалась выталкивающей силой: Fв = М • g
Условие плавания тела на поверхности жидкости можно представить в виде рт • Vт = рж • Vж .
Читайте также: