Учебное особие по физике

Условия плавания тел

На тело, находящееся в жидкости (газе), действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и архимедова сила . Поведение тела зависит от соотношения этих сил. Возможны три случая:

1. (рис. 1). Равнодействующая этих сил направлена вниз, в результате тело тонет. Если тело сплошное, то это будет при условии, когда плотность тела больше плотности жидкости:

   

   Рис. 1

   

2. (рис. 2). Тело плавает внутри жидкости на любой глубине (безразличное равновесие): .

   

   Рис. 2

3. . Равнодействующая этих сил направлена вверх, и тело начинает всплывать. Пока тело не достигнет свободной поверхности жидкости, выталкивающая сила не будет изменяться. При дальнейшем подъеме выталкивающая сила начнет уменьшаться и, когда она станет равной по модулю силе тяжести, тело остановится и будет плавать на поверхности. Всплывшее тело будет, таким образом, частично выступать над поверхностью жидкости (рис. 3).

   

   Рис. 3

   Объем погруженной части V_п таков, что вес вытесненной жидкости равен силе тяжести плавающего тела: F_A1 = mg. Если средняя плотность тела меньше плотности жидкости — условие плавания сплошного тела на поверхности жидкости.

Поскольку выталкивающая сила зависит от внешнего объема тела и не зависит от вещества тела и его распределения в теле (наличия полостей, неоднородности плотности и т.д.), точка приложения выталкивающей силы F_A не обязательно должна совпадать с центром тяжести тела (рис. 4, а). Так как в жидкости нет трения покоя, моменты сил и заставят тело повернуться так, что обе указанные силы будут расположены вдоль одной вертикали (рис. 4, б). Далее в зависимости от соотношения модулей F_A и mg тело будет или находиться в равновесии, или всплывать, или опускаться вниз.

Рис. 4