Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

«ОДИН ОПЫТ Я СТАВЛЮ ВЫШЕ, ЧЕМ ТЫСЯЧУ МНЕНИЙ, РОЖДЕННЫХ ТОЛЬКО ВООБРАЖЕНИЕМ».   М. В. ЛОМОНОСОВ

ДЕЙСТВИЕ ЖИДКОСТИ И ГАЗА НА ПОГРУЖЕННОЕ В НИХ ТЕЛО .

7 класс

Какие известные вам из жизни явления указывают на существование некой выталкивающей силы?

Вспомним купание на море или посещение бассейна. Когда мы находимся в воде, мы можем легко поднимать разные тяжелые предметы: камни, груза, даже своих друзей. Значит появляется какая-то сила, уменьшающая действие силы тяжести.

Если мы опустим под воду пробку, то она сразу всплывет на поверхность. На нее тоже действует какая-то сила.

На этом уроке мы рассмотрим, как эти явления объясняет физика. Вы познакомитесь с новой силой и узнаете, от чего она зависит.

Действие жидкости на погруженное в нее тело

Сначала рассмотрим действие жидкости. Для упрощения возьмем тело, которое будем погружать в жидкость, в форме параллелепипеда. Его основания в нашем примере буду параллельны поверхности жидкости. А теперь рассмотрим все силы, которые действуют на это тело в жидкости (рисунок).

Очевидно, что силы, которые действуют на боковые грани, равны друг другу (уравновешивают друг друга). А силы, которые действуют на верхнюю и нижнюю грани, неодинаковы.

Верхняя грань:

на нее давит столб жидкости высотой ℎ1 с силой F 1

Нижняя грань:

на нее давит столб жидкости h 2 с силой F 2

​

(по закону Паскаля давление передается в жидкости во все стороны одинаково, поэтому столб жидкости будет давить на тело снизу-вверх).

ℎ 1 и ℎ2 не равны. Так как ℎ2 больше ℎ1, модуль силы F 2 будет больше модуля силы F 1

​

(силы здесь обуславливаются давлением жидкости, а величина давления жидкости прямо пропорциональна высоте ее столба).

Значит, тело выталкивается из жидкости с определенной силой. Обозначим эту силу как F выт, которая равна разности сил F 2 − F 1

​

То есть:

F Выт = F 2 − F 1

Расчет выталкивающий силы

Рассчитаем F выт ​. Для этого найдем силы  F 1 ​ и  F 2​ . Их можно вычислить, зная площади граней  S 1 ​ и  S 2 ​ и давление  p 1 ​ и  p 2 ​, которое действует на эти грани.

F 1 ​= p 1 ​ S 1 F 2​ = p 2 ​ S 2 ​

По известной нам формуле давление также будет равно: p 1 ​= ρgh 1 ​, p 2 ​= ρgh 2 ​, где  ρ  —  плотность  жидкости

Выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме погруженного в него тела: F выт ​= g ⋅ m ж ​= P ж​ .

Как показать на опыте, что на тело, находящееся в жидкости, действует выталкивающая сила? Рассмотрим опыт, демонстрирующий наличие выталкивающей силы, проиллюстрированный на рисунке.

На конце пружины расположена стрелка-указатель, которая отмечает растяжение пружины на штативе (рисунок 2, а).

Когда мы опускаем подвешенный груз в воду, то видим, что пружина сокращается (рисунок 2, б). Значит,  если тело находится в жидкости, то на него действует сила, выталкивающая это тело из жидкости.

Действие газа на погруженное в него тело

Как мы знаем, закон Паскаля применим и к жидкостям, и к газам.

Значит,  на тела, находящиеся в газе, действует сила, которая выталкивает их из этого газа.

Примером могут служить не только обычные воздушные шарики, которые поднимаются вверх, но и специальные опыты.

Как на опыте показать, что на тело, находящееся в газе, действует выталкивающая сила? В данном опыте мы будем использовать весы с двумя чашами. К первой чаше подвесим стеклянный шар, который предварительно закроем пробкой. Уравновесим весы (рисунок, а).

После этого подставляем под стеклянный шар емкость, полностью окружающую его . Наполняем емкость углекислым газом (плотность углекислого газа больше плотности воздуха). Теперь равновесие весов нарушится: чаша с подвешенным шаром поднимется (рисунок, б) . Значит, когда шар погружен в углекислый газ, на него действует большая сила, чем та, которая действует на него в воздухе.

Теперь мы можем сделать вывод.

Сила, которая выталкивает тело из газа или жидкости, направлена противоположно силе тяжести, которая приложена к этому телу.

Именно поэтому в воде мы можем поднимать различные тяжелые предметы, а особенно легко это делать в соленой воде, ведь ее плотность больше плотности пресной.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

• Дано:

а=4 м

p=100кПа=100000Па

F -? Решение: проведем расчет по формуле p=F/S; F=p*S S= a * a =4*4=16 м2 F=100000Па*16м2 =1600000Н= 1600 кН

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

2. Дано

S = 0,009 м^2.

h = 760 мм = 0,76 м.

ρ(рт) = 13600 кг/ м^3.

g = 9,8 м/с^2.

F - ?

Решение:

Давление определим по формуле:

Р = F / S.

F = Р * S.

Гидростатическое давление ртути определяется формулой:

P = ρ(рт) * g * h.

где ρ - плотность ртути,

g - ускорение свободного падения,

h - высота жидкости в барометре.

F = ρ(рт) * g * h * S.

F = 13600 кг/ м^3 * 9,8 м/с^2 * 0,76 м * 0,009 м^2 = 911,63 Н.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

3. Дано: g=9.8 Н/кг

ρ(ртуть)=13600кг/м³

ρ(воздух)=1.29кг/м³

h(ртуть)=0.75м

S(стол)=5*1.4=7м² Fn=? Решение: F=P*S

P=ρgh

Решим используя пропорциональность столбов ртути и воздуха:

P(ртуть)=9.8*13600*0.75=99960 Па

P(воздух)=9.8*1.29*h(воздуха)=12.642h(воздуха)

h(воздуха)=99960/12.642=7907(м) - это высота воздушного столба

P(воздух)=9.8*1.29*7907=99960.294 Па

F=99960.294*7=699722.058 Н