Kvant. Выталкивающая сила

А так ли хорошо знакома вам выталкивающая сила? // Квант. — 1990. — № 6. — С. 40-41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Тела более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость
насильственно, будут выталкиваться вверх...
Тела более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость,
будут погружаться, пока не дойдут до самого низа...
Архимед, О плавающих телах

Герой этого выпуска «Калейдоскопа» — несомненно, Архимед. Древнегреческий ученый, с законом, которого вы знакомитесь едва ли не в самом начале изучения физики, заложил научные основы гидростатики. Они были развиты лишь в XVI—XVII столетиях Стевином, Галилеем, Паскалем, а окончательную формулировку получили уже в XIX веке. Кстати, именно труды Архимеда оказали решающее влияние на становление Галилея как ученого. О практическом же применении результатов архимедовых исследований и говорить не приходится, они хорошо вам известны - от кораблестроения до воздухоплавания.

Однако наглядность и простота многих задач на закон Архимеда - кажущаяся, порой они требуют серьезных размышлений. Попробуйте свои силы, не забывая, что надежны помощником вам будет эксперимент - а для проведения опытов наступившее лето дает столько возможностей.

Вопросы и задачи

1. В сосуде с водой плавает в вертикальном положении брусок. Как изменится уровень воды в сосуде, если брусок перейдет в горизонтальное положенне?
2. Однажды царь спросил у Архимеда, сколько нужно взять золота, чтобы его масса была равна массе слона. Как Архимед справился с задачей?
3. На крюке динамометра висит ведерко. Изменится ли показание динамометра, если ведерко наполнить водой и погрузить в воду?
4. Человек, несший автомобильную камеру, решил облегчить ношу. Для этого он накачал камеру, увеличив ее объем и рассчитывая использовать выталкивающую силу воздуха. Достиг ли он цели?
5. Что тяжелее — тонна дерева или тонна железа?
6. Изменится ли уровень воды в сосуде, если нить, удерживающую свинцовый шарик, удлинить так, чтобы шарик полностью погрузился в воду?

   

7. Стальной шарик плавает в ртути. Изменится ли погружение шарика в ртуть, если сверху долить воды?
8. Рыбак для хранения живой рыбы сделал в своей лодке ящик с отверстием в дне лодке. Не потонет ли она, если спустить ее на воду?
9. В одном из сосудов с водой плавает кусок льда с пузырьком воздуха, в другом — с вмерзшим стальным шариком. Изменятся ли уровни воды в сосудах, когда лед растает?
10. Одна из бутылок наполнена водой, другая — ртутью. Потонет ли первая бутылка, если ее опустить в воду? Потонет ли вторая, если ее опустить в ртуть?
11. Что произойдет с уровнем воды в бассейне, если из лодки, плавающей в нем, бросить в него камень?
12. Деревянный кубик лежит на дне сухого сосуда. Всплывет ли он, если в сосуд налить воду?

Микроопыт

Прикрепите к короткому отрезку стеариновой свечи небольшой грузик так, чтобы свеча, плавала в воде. Зажгите плавающую свечу и постарайтесь выяснить: погаснет ли пламя, как только сгорит отрезок, выступающий первоначально над водой?

Любопытно, что…

...история, связанная с короной царя Гиерона, добавила к прочим заслугам Архимеда почетное звание, по-видимому, первого известного нам ученого-детектива.

...в районах, впадения рек в море встречаются бревна, длительное время плавающие внутри воды на устойчивом расстояний от ее поверхности. Объясняется это меньшей, чем у морской, плотностью пресной воды. На разделе этих вод может оказаться древесина с промежуточной плотностью.

...на закон Архимеда многократно многократно опирались авторы проектов «вечных» двигателей. Подумайте, кстати, почему не мог действовать «двигатель», изображенный на рисунке.

...задачу под номером 11 как то предложили знаменитым физикам Дж. Гамову, Р. Оппенгеймеру и Ф. Блоху, и... все трое ответили неверно.

...до сих пор не обнаружен автор популярной школьной, частушки:

После сытного обеда

По закону Архимеда

Полагается поспать...

Хорошо бы узнать, какие физические соображения позволили автору связать выталкивающую силу с послеобеденным сном?

Что читать в «Кванте» о выталкивающей силе

1. «Работа, энергии, и архимедова сила» — 1984, № 3, с. 27;
2. «Закон Архимеда» — 1984, № 9, с. 30;
3. «Повторим гидростатику» - 1985, № 2, с 48;
4. «Закон Архимеда» — 1987, № 1, с. 29;
5. «Архимедова сила в литературных произведениях» — 1988, № 5, с. 41;
6. «Закон Архимеда с точки зрения математика» — 1989, № 10, с. 44.

Ответы

1. Не изменится, так как количество вытесненной воды останется тем же.
2. Погрузил сперва на плот слона, отметил уровень погружения; затем грузил слитки золота на плот до такого же погружения.
3. Да, уменьшится на величину веса воды, вытесняемой стенками и дном ведра.
4. Нет, поскольку, увеличив выталкивающую силу, человек более значительно увеличил вес своей ноши (плотность сжатого воздуха в камере больше плотности наружного воздуха).
5. Вес в вакууме того дерева, которое в воздухе весит тонну, больше веса в вакууме того железа, которое весит в воздухе также одну тонну.
6. Не изменится.
7. Глубина погружения в ртуть уменьшится, так как возрастет выталкивающая сила за счет вытесненной шариком воды.
8. Нет. Ящик и русло реки — сообщающиеся сосуды, и вода в ящике будет на таком же уровне, как и вода в реке.
9. В первом — не изменится, во втором — понизится.
10. Бутылка с водой потонет, с ртутью — нет.
11. Когда камень находится в лодке, он вытесняет объем воды, масса которого равна массе камня. Поскольку плотность камня больше плотности воды, то объем вытесненной воды больше объема камня. Лежа на дне бассейна, камень вытесняет объем воды, равный лишь его собственному. Поэтому объем вытесненной им воды при попадании в бассейн уменьшается, и уровень падает.
12. Да — если вода проникнет под кубик, нет — в противном случае.

Микроопыт

Сгорая, свеча уменьшается в весе и всплывает, поэтому горит дольше, чем кажется поначалу.