Действие жидкости и газа на погружённое тело

Действие жидкости и газа на погружённое тело

Если погрузить пробку под воду и отпустить — она всплывёт. А камень — утонет. Это происходит потому, что жидкость действует на погружённое тело с силой, направленной вверх.

Выталкивающая сила

Выталкивающая сила — это сила, с которой жидкость действует на погружённое в неё тело.

Она направлена вертикально вверх — противоположно силе тяжести.

Выталкивающая сила возникает и в жидкостях, и в газах. На любое тело в воздухе действует выталкивающая сила (хоть и небольшая).

Почему возникает выталкивающая сила

Рассмотрим тело, погружённое в жидкость. Жидкость давит на тело со всех сторон. Но:

• нижняя грань тела находится на бóльшей глубине → давление снизу больше
• верхняя грань — на меньшей глубине → давление сверху меньше

Разность давлений создаёт результирующую силу, направленную вверх. Это и есть выталкивающая сила.

Сила, действующая со стороны газа

В газе тоже действует выталкивающая сила — по той же причине (давление растёт с глубиной).

Например, воздушный шар, наполненный горячим воздухом, поднимается вверх — выталкивающая сила воздуха больше силы тяжести шара.

Демонстрация

Возьмём тело, подвешенное к пружинному динамометру. Запишем показание. Затем опустим тело в воду — показание динамометра уменьшится.

Уменьшение показания динамометра равно выталкивающей силе. Пример: тело весило в воздухе $5\,\text{Н}$, в воде — $3\,\text{Н}$. Выталкивающая сила $F_{\text{выт}} = 5 - 3 = 2\,\text{Н}$.

От чего зависит выталкивающая сила

Выталкивающая сила зависит от:

• плотности жидкости (или газа)
• объёма погружённой части тела

Чем больше плотность жидкости и чем больше объём погружённой части, тем больше выталкивающая сила.

Выталкивающая сила не зависит от массы тела, его материала, глубины погружения.

Сравнение силы тяжести и выталкивающей

• если $F_{\text{выт}} > F_{\text{тяж}}$ → тело всплывает
• если $F_{\text{выт}} < F_{\text{тяж}}$ → тело тонет
• если $F_{\text{выт}} = F_{\text{тяж}}$ → тело плавает внутри жидкости

Пробка плавает: её плотность меньше воды. Камень тонет: его плотность больше воды.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое выталкивающая сила? Куда она направлена?
2. Почему возникает выталкивающая сила?
3. Как опыт с динамометром доказывает её существование?
4. От чего зависит выталкивающая сила? От чего не зависит?
5. При каком условии тело всплывает, тонет, плавает внутри жидкости?