Физика 7 класс учебник Перышкин, Иванов - страница 161

   Цилиндр погружают в отливной сосуд, заполненный водой до уровня отливной трубки. Объём вытесненной воды, равный объёму погружённого цилиндра, собирается в стакане. При этом наблюдается сжатие пружины и подъём стрелки, фиксирующий уменьшение веса цилиндра в жидкости. Это свидетельствует о действии выталкивающей силы, направленной вертикально вверх.
   Далее вытесненную воду переливают в ведёрко, не извлекая цилиндр из сосуда. После заполнения ведёрка до краёв стрелка возвращается в исходное положение. Опыт подтверждает существование выталкивающей силы (силы Архимеда), уменьшающей вес тела в жидкости.

   Согласно закону Архимеда, на тело, полностью или частично погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила. Эта сила, известная как архимедова, численно равна весу вытесненной телом жидкости или газа и направлена вертикально вверх, противодействуя силе тяжести.

F_A = ρ_жV_п.ч.g

   Насколько сильно жидкость будет выталкивать погружённое в неё тело, зависит от трёх вещей:
   какая это жидкость чем она плотнее (например, солёная вода плотнее пресной), тем сильнее будет выталкивание;
   сколько места в жидкости занимает само тело чем больше объём погружённой части, тем больше сила;
   насколько сильна гравитация в этом месте (ускорение свободного падения) от неё тоже зависит величина выталкивающей силы.

   На Луне гравитация гораздо слабее, чем на Земле: ускорение свободного падения там всего около 1,6 м/с² — это примерно в 6 раз меньше, чем у нас (9,8 м/с²). А поскольку выталкивающая (архимедова) сила зависит от силы тяжести, то и она на Луне будет слабее — в тех же 6 раз. То есть если в воде на Земле какая‑то вещь выталкивается с определённой силой, то на Луне эта сила станет в 6 раз меньше.

   Нарушение равновесия вызвано тем, что на цилиндры действует неодинаковая архимедова сила.
   При одинаковой массе цилиндр из олова имеет меньший объём, чем алюминиевый, так как плотность олова выше (ρ_Al = 2700 кг/м³, ρ_Sn = 7300 кг/м³). По закону Архимеда, выталкивающая сила пропорциональна объёму вытесненной жидкости. Следовательно, оловянный цилиндр вытесняет меньше жидкости, и архимедова сила, действующая на него, меньше. Из‑за этого чаша весов с оловянным цилиндром опускается — она перевесит чашу с алюминиевым цилиндром.

   Нарушение равновесия обусловлено разницей в плотностях: керосин ρ_{керосина} = 800 кг/м³ менее плотный, чем вода ρ_воды = 1000 кг/м³. Это приводит к тому, что выталкивающая сила, действующая на шарик в керосине, оказывается меньше. В результате чаша с шариком, погруженным в керосин, перевесит.

   Морская вода плотнее пресной (ρ_{морск.воды} = 1030 кг/м³ против ρ_воды = 1000 кг/м³). Из-за этой разницы в плотности, предметы в морской воде будут испытывать более сильное выталкивающее воздействие.

   В воздухе нужно приложить силу, равную весу ведра F₁ = m_ведраg
   В воде на ведро действует архимедова сила F_A = ρ_жV_п.ч.g, поэтому сила удержания: F₂ = m_ведраg – F_A
   Так как F_A > 0, то F₂ < F₁
   Для удержания ведра, полного воды, потребуется меньшая сила, чем для удержания пустого ведра в воздухе.

   Необходимое оборудование: банка с водой, динамометр, сосуд с водой, линейка, весы.
   Измерим выталкивающую силу при погружении банки наполовину.
   Наполним банку водой. Подвесим банку к динамометру и зафиксируем вес банки (Р_воздух). Опустим банку в сосуд с водой так, чтобы она была погружена до половины своей высоты. Измерим вес банки в воде (Р_{вода ½})
   Рассчитаем выталкивающую силу:
F_А½ = Р_воздух – Р_{вода ½}
   Это сила, равная весу воды, вытесненной половиной объёма банки.
   Измерим выталкивающую силу при полном погружении банки.
   Полностью погрузим ту же банку в воду. Зафиксируем показание динамометра (Р_вода). Рассчитаем выталкивающую силу:
F_А = Р_воздух – Р_вода
   Здесь объём погружённой части равен полному объёму банки (V), и выталкивающая сила достигает максимального значения.
   До полного погружения выталкивающая сила прямо пропорциональна глубине погружения тела в жидкость. Чем глубже погружается банка, тем больше объём вытесненной воды и тем больше выталкивающая сила.
   Дальнейшее увеличение глубины не приводит к изменению объёма погружённой части, и выталкивающая сила остаётся постоянной.
   Следовательно, выталкивающая сила зависит от глубины погружения до тех пор, пока тело не погрузится полностью. После полного погружения сила перестаёт зависеть от глубины и остаётся постоянной.