Физика • 7 класс § 46

§ 46. Действие жидкости и газа на погружённое в них тело

Учебник: Физика. 7 класс (А. В. Пёрышкин, А. И. Иванов). Программа ФГОС.
К разделам:

Термины и понятия параграфа 6

Термин Физика • 7 класс § 46

Выталкивающее действие жидкости и газа

физическое явление возникновения результирующей направленной вертикально вверх силы со стороны окружающей жидкой или газообразной среды, действующей на любое погруженное в нее тело.

  • 1. Причина возникновения — обусловлено гидростатическим давлением среды, закономерно возрастающим с увеличением глубины под действием силы тяжести столба жидкости или газа.
  • 2. Закон Паскаля — поскольку давление внутри покоящейся жидкости или газа передается во все стороны абсолютно одинаково, внешнее гидростатическое воздействие охватывает всю поверхность погруженного тела со всех направлений.
Термин Физика • 7 класс § 46

Силы гидростатического давления на грани погруженного тела

совокупность нормальных сил, действующих на элементы поверхности погруженного прямоугольного параллелепипеда (рис. 151):

  • 1. Равновесие боковых сил — противоположные вертикальные боковые грани параллелепипеда находятся на абсолютно одинаковой глубине и испытывают равное гидростатическое давление; силы давления на боковые грани $\vec{F}_3$ и $\vec{F}_4$ равны по модулю ($F_3 = F_4$) и противоположны по направлению, полностью уравновешивая друг друга.
  • 2. Сила давления на верхнюю грань — столб жидкости высотой $h_1$ давит на верхнюю грань площадью $S$ сверху вниз с силой:

$$F_1 = p_1 S = \rho_{\text{ж}} g h_1 S.$$

  • 3. Сила давления на нижнюю грань — нижняя грань находится на большей глубине $h_2$, где давление передается снизу вверх; столб жидкости высотой $h_2$ давит на нижнюю грань снизу вверх с силой:

$$F_2 = p_2 S = \rho_{\text{ж}} g h_2 S.$$

Термин Физика • 7 класс § 46

Выталкивающая (архимедова) сила ($F_{\text{выт}}$)

результирующая сила гидростатического давления жидкости или газа, направленная вертикально вверх:

  • 1. Математический вывод формулы:

Так как нижняя грань находится глубже верхней ($h_2 > h_1$), гидростатическое давление снизу больше, чем сверху ($p_2 > p_1 \implies F_2 > F_1$). На тело действует результирующая сила, направленная вверх и равная разности сил $F_2$ и $F_1$:

$$F_{\text{выт}} = F_2 - F_1 = \rho_{\text{ж}} g h_2 S - \rho_{\text{ж}} g h_1 S = \rho_{\text{ж}} g S (h_2 - h_1).$$

Поскольку разность глубин $h_2 - h_1 = h$ равна высоте параллелепипеда, а произведение площади основания на высоту дает объем тела ($S \cdot h = V$), получаем:

$$F_{\text{выт}} = \rho_{\text{ж}} g V.$$

  • 2. Связь с весом вытесненной жидкости — произведение плотности жидкости на объем тела дает массу жидкости в объеме тела ($m_{\text{ж}} = \rho_{\text{ж}} V$), а произведение $m_{\text{ж}} g$ равно весу этой жидкости ($P_{\text{ж}}$). Следовательно:

$$F_{\text{выт}} = m_{\text{ж}} g = P_{\text{ж}}.$$

Выталкивающая сила строго равна весу жидкости в объеме погруженного в нее тела.

Термин Физика • 7 класс § 46

Пружинный опыт обнаружения выталкивающей силы в жидкости

лабораторный эксперимент по измерению разгрузки упругого подвеса (рис. 152):

  • 1. Исходное растяжение в воздухе — тело подвешивают к спиральной пружине со стрелкой-указателем и по положению стрелки фиксируют исходную деформацию пружины под действием силы тяжести тела (рис. 152, а).
  • 2. Погружение в воду — при опускании тела в воду деформация пружины заметно уменьшается, а стрелка-указатель поднимается вверх (рис. 152, б), что наглядно доказывает действие на погруженное тело силы, направленной вертикально вверх и выталкивающей его из жидкости.
Термин Физика • 7 класс § 46

Опыт обнаружения выталкивающей силы в газах

весовой эксперимент в среде газа высокой плотности (рис. 153):

  • 1. Равновесие весов в воздухе — полую стеклянную колбу, герметично закрытую пробкой, уравновешивают на чувствительных рычажных весах металлическим грузиком.
  • 2. Замещение воздуха углекислым газом — под уравновешенную колбу подводят широкий сосуд, наполненный углекислым газом ($\text{CO}_2$). Плотность углекислого газа ($\approx 1{,}98\text{ кг/м}^3$) заметно больше плотности воздуха ($\approx 1{,}29\text{ кг/м}^3$), поэтому он удерживается в сосуде, а выталкивающая архимедова сила, действующая на колбу, возрастает ($F_{\text{выт}} = \rho_{\text{газа}} g V_{\text{колбы}}$).
  • 3. Нарушение равновесия — возросшая сила выталкивает колбу вверх, чаша весов поднимается, доказывая действие выталкивающей силы со стороны газовой среды.
Термин Физика • 7 класс § 46

Вес тела в среде (жидкости или газе)

сила, с которой погруженное тело давит на горизонтальную опору или растягивает подвес в окружающей среде:

  • 1. Векторное сложение сил — сила тяжести ($F_{\text{тяж}} = mg$) направлена вертикально вниз, а выталкивающая архимедова сила среды ($F_{\text{выт}}$) направлена противоположно — вертикально вверх.
  • 2. Кажущееся облегчение веса — вес тела в жидкости или газе ($P_1$) меньше его веса в вакууме ($P = mg$) на величину выталкивающей силы:

$$P_1 = P - F_{\text{выт}} = mg - \rho_{\text{среды}} g V.$$

В воде или атмосфере тело теряет в своем весе ровно столько, сколько весит вытесненный им объем окружающей жидкости или газа.

Ответы на вопросы учебника 4

Вопрос учебника #1 Физика • 7 класс § 46

Приведите примеры явлений из жизни, подтверждающие существование выталкивающей силы.

Примеры проявления выталкивающей силы в природе, технике и быту:

  • Подъем камней в воде: на дне реки или моря человек может легко поднять и перемещать массивный камень, который на суше невозможно даже оторвать от земли из-за его огромного веса.
  • Всплытие легких тел: если погрузить под воду футбольный мяч, кусок пробки или сосновый брусок и выпустить из рук, они мгновенно с ускорением выталкиваются на поверхность.
  • Купание человека: находясь в бассейне или море, человек ощущает резкое «облегчение» собственного тела, что позволяет удерживаться на поверхности воды при минимальных усилиях.
  • Воздухоплавание: воздушные шары и аэростаты, наполненные горячим воздухом или легким газом (гелием), поднимаются вверх в толще земной атмосферы под действием аэростатической выталкивающей силы воздуха.
Вопрос учебника #2 Физика • 7 класс § 46

Чему равна выталкивающая сила, действующая на тело, погружённое в жидкость?

Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, численно равна весу жидкости в объёме этого тела:

$$F_{\text{выт}} = P_{\text{ж}} = m_{\text{ж}} g = \rho_{\text{ж}} g V,$$

где:

  • $\rho_{\text{ж}}$ — плотность жидкости ($\text{кг/м}^3$);
  • $g$ — ускорение свободного падения ($g \approx 9{,}8\text{ Н/кг}$);
  • $V$ — объём тела, погружённого в жидкость ($\text{м}^3$);
  • $m_{\text{ж}} = \rho_{\text{ж}} V$ — масса вытесненной телом жидкости ($\text{кг}$);
  • $P_{\text{ж}} = m_{\text{ж}} g$ — вес вытесненной жидкости ($\text{Н}$).
Вопрос учебника #3 Физика • 7 класс § 46

Объясните, почему на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила.

Физическая причина возникновения выталкивающей силы заключается в разности гидростатических давлений на разных глубинах:

  • По закону гидростатики давление внутри несжимаемой покоящейся жидкости возрастает прямо пропорционально глубине погружения: $p = \rho_{\text{ж}} g h$.
  • Силы давления, действующие на противоположные боковые грани погруженного тела, взаимно равны по модулю ($F_3 = F_4$) и противоположны по направлению, поэтому они взаимно уравновешиваются и не могут сдвинуть тело по горизонтали.
  • Однако нижняя грань тела неизбежно находится глубже его верхней грани ($h_2 > h_1$). Следовательно, гидростатическое давление на уровне нижней грани больше, чем на уровне верхней ($p_2 > p_1$).
  • По закону Паскаля давление передается во всех направлениях одинаково, поэтому на нижнюю грань жидкость давит снизу вверх с силой $F_2 = p_2 S$, превышающей силу $F_1 = p_1 S$, с которой жидкость давит на верхнюю грань сверху вниз.
  • Результирующая сила гидростатического давления представляет собой направленную вертикально вверх разность этих сил:

$$F_{\text{выт}} = F_2 - F_1 = \rho_{\text{ж}} g S (h_2 - h_1) = \rho_{\text{ж}} g V.$$

Эта направленная вверх сила и выталкивает погруженное тело из жидкости.

Вопрос учебника #4 Физика • 7 класс § 46

Как на опыте показать, что на находящееся в газе тело действует выталкивающая сила? Какой газ вместо углекислого газа можно использовать в этом опыте?

1. Проведение демонстрационного опыта (рис. 153):

  • На равноплечных рычажных весах уравновешивают закрытую пробкой легкую стеклянную колбу объемом $1\text{–}2\text{ л}$ с помощью небольшого металлического грузика на противоположной чаше.
  • Под подвешенную колбу аккуратно подводят широкий сосуд и заполняют его углекислым газом ($\text{CO}_2$).
  • Поскольку углекислый газ имеет плотность $\rho \approx 1{,}98\text{ кг/м}^3$, что примерно в $1{,}5$ раза больше плотности комнатного воздуха ($\rho \approx 1{,}29\text{ кг/м}^3$), выталкивающая сила со стороны газа на объем колбы $V$ возрастает:

$$F_{\text{выт}} = \rho_{\text{газа}} g V.$$

  • В результате чаша с колбой устремляется вверх, а равновесие весов резко нарушается, наглядно доказывая, что в газах на погруженные тела также действует выталкивающая сила.

2. Газы, которые можно использовать вместо углекислого газа:

  • Вместо углекислого газа в данном опыте можно использовать любой нетоксичный газ, плотность которого существенно больше плотности воздуха:

* Аргон ($\text{Ar}$) — инертный газ плотностью около $1{,}78\text{ кг/м}^3$;

* Хладон / фреон или элегаз (гексафторид серы, $\text{SF}_6$) — тяжелые безопасные газы с плотностью до $6\text{ кг/м}^3$, вызывающие мгновенный и резкий подъем колбы;

* Пары тяжелых летучих жидкостей (например, насыщенный пар эфира).