Архимедова сила — направленное вверх действие воды на погружённый предмет. Она возникает потому, что вода давит на нижние части предмета сильнее, чем на верхние. Величина этой силы связана с объёмом вытесненной воды: поэтому предмет может всплывать, тонуть или оставаться на месте в зависимости от соотношения выталкивания и тяжести.
Что важно понять о выталкивании воды
- Вода действует на погружённое тело со всех сторон, но результирующая сила направлена вверх.
- Чем больше воды вытесняет предмет, тем заметнее выталкивание.
- Само по себе выталкивание не гарантирует всплытия: важно, достаточно ли его, чтобы уравновесить тяжесть предмета.
- Закон Архимеда описывает выталкивающее действие жидкости на погружённое в неё тело.
Как вода действует на погружённый предмет
Если опустить предмет в воду, она начинает давить на его поверхность со всех сторон. Это давление и создаёт действие жидкости на тело. Его результирующая часть направлена вверх и называется Архимедовой силой.
Выталкивание проявляется, даже если предмет полностью находится под водой и не поднимается. В таком случае сила всё равно действует, но может уравновешиваться тяжестью предмета или другими воздействиями.
Понятие применимо не только к воде: выталкивающая сила возникает и в других жидкостях, а также в газах. Здесь рассматривается именно предмет, погружённый в воду.
Откуда берётся сила, направленная вверх
Причина выталкивания — неодинаковое давление воды на разных участках погружённого тела. Оно увеличивается с глубиной, поэтому нижние части предмета испытывают более сильное давление, чем верхние.
- Вода давит на поверхность предмета во всех направлениях.
- На боковых участках давление направлено в разные стороны и в основном компенсируется.
- На нижнюю поверхность вода давит сильнее, чем на верхнюю, потому что она расположена глубже.
- Разница давлений создаёт результирующее действие вверх — Архимедову силу.
- Предмет вытесняет воду из занимаемого объёма, и объём этой вытесненной воды связан с силой выталкивания.
Почему давление воды меняется с глубиной
Чем глубже находится участок предмета, тем больше воды над ним и тем сильнее её давление. Это объяснение помогает понять, почему выталкивание направлено вверх, а также применить идею в обычных ситуациях:
- Погружение мяча. Под водой мяч приходится удерживать: выталкивание стремится вернуть его к поверхности.
- Подъём камня в воде. Камень под водой кажется легче, чем в воздухе, потому что вода действует на него вверх.
- Погружение лодки. Корпус вытесняет воду; это выталкивание помогает лодке держаться на поверхности.
- Удержание предмета на глубине. Если предмет не всплывает и не опускается, выталкивание уравновешено другими силами.
Как объём погружённой части влияет на выталкивание
Чем больший объём предмета находится в воде, тем больше воды он вытесняет и тем сильнее выталкивающее действие. Это объясняет, почему плавающий предмет может погрузиться глубже, если на него положить груз: ему нужно вытеснить больше воды.
Что помогает оценить выталкивание:
- Учитывайте объём именно той части предмета, которая погружена в воду.
- Сравнивайте, сколько воды вытесняет предмет в разных положениях.
- Помните, что форма корпуса может влиять на то, насколько глубоко предмет погружается.
Ограничения такого объяснения:
- Большая площадь поверхности сама по себе не означает большего выталкивания: важен объём вытесненной воды.
- По одному объёму нельзя определить, всплывёт ли предмет: нужно учитывать его тяжесть.
- Для предмета, частично погружённого в воду, выталкивание связано с погружённой частью, а не со всем его объёмом.
Когда предмет всплывает, тонет или остаётся в равновесии
- Предмет всплывает, если выталкивание сильнее его тяжести. Поднимаясь, он погружается меньше, пока силы не уравновесятся или тело не выйдет на поверхность.
- Предмет тонет, если тяжесть сильнее выталкивания. Например, небольшой плотный камень обычно опускается на дно.
- Предмет удерживается на глубине, если выталкивание и тяжесть уравновешены. Такое состояние называют равновесием.
- Миф: тяжёлые предметы всегда тонут. Важны не только вес, но и объём вытесняемой воды. Поэтому большой корпус лодки может держаться на поверхности.
- Миф: выталкивание действует только на плавающие тела. Оно действует и на полностью погружённый предмет, даже если тот опускается.
Как заметить действие Архимедовой силы в бытовых ситуациях
Опустите в воду камень, а затем попробуйте поднять его, не вынимая. Под водой он будет казаться легче, чем в воздухе: вода выталкивает камень вверх. Это наглядный пример силы Архимеда в воде; она уменьшает нагрузку, которую приходится преодолевать рукой, но не обязательно заставляет камень всплыть.
Разбираемся в поведении предметов под водой
Что называют Архимедовой силой?
Это направленное вверх действие жидкости или газа на погружённое тело. Оно возникает из-за разницы давления на разных частях тела.
Почему вода выталкивает предмет вверх?
На нижние части предмета вода давит сильнее, чем на верхние. В результате силы давления не компенсируются полностью, и итоговое действие направлено вверх.
Почему предметы плавают в воде?
Предмет плавает, когда выталкивание может уравновесить его тяжесть при частичном погружении. Поэтому плавучесть тел зависит от их веса и объёма воды, который они вытесняют.
Действует ли выталкивание на предмет, который тонет?
Да. На тонущий предмет тоже действует выталкивающая сила, но его тяжесть оказывается больше.
Что меняется, когда предмет погружают глубже?
Давление воды на участки предмета возрастает с глубиной. Для предмета неизменного объёма в обычных условиях это не означает, что выталкивание обязательно станет больше: оно связано с объёмом вытесненной воды.
Почему камень под водой кажется легче?
Вода действует на него вверх и частично компенсирует его тяжесть. Поэтому для подъёма камня под водой требуется меньше усилия, чем в воздухе.