Как действует закон архимеда в воздухе для детей

Обновлено: 07.07.2024

Загадочную и неуловимую силу антигравитации долго искать не надо. Люди пользуются этой силой с незапамятных времен, но не обращают на это внимания. Ведь эта сила всегда под рукой, ну как минимум под ногой, и называется силой Архимеда.

Но это - банально и неинтересно. Гораздо интереснее искать силу антигравитации в тиши научных лабораторий или в медитациях по восточным практикам. Но мы попробуем найти эту силу, воспользовавшись простым логическим анализом.

Для начала коротенькое видео:

А теперь более подробно рассмотрим классический подход к вопросу. Формулировка закона Архимеда звучит примерно так:

На тело, погруженное в жидкость (или газ) действует сила, равная весу вытесненной жидкости (или газа) и направленная в сторону, противоположную силе тяжести.

А затем следует формула:

F_A = ρgV (F_A = mg) (766.1)

где ρ - плотность жидкости или газа, кг/м 3 , g = 9.81 м/с 2 - ускорение свободного падения, V - объем вытесненной жидкости или газа, м 3 .

Примечание: Так как умножение плотности на объем - это и есть масса тела (ρV = m), то я позволил себе добавить в скобках вариант сокращенной записи формулы.

Очень часто силу Архимеда называют выталкивающей силой, но это неправильно.

Выталкивающая сила - это сила, возникающая из-за разницы массы тела, погруженного в жидкость (или газ) и массы вытесненной жидкости (или газа):

Формулы простые, надежные, вполне рабочие, проверенные многовековым опытом.

Сила Архимеда при этом выглядит как антигравитационная, так как направлена в сторону, противоположную силе тяжести, но при этом считается обычной гравитационной. Этой хитрой особенностью с незапамятных времен пользуются кораблестроители, не сильно заморачиваясь физикой процесса.

К тому же есть простое и достаточно логичное объяснение:

Тело, погружаясь в жидкость, выталкивает своим объемом эту жидкость вверх - происходит водоизмещение. Жидкость, поднявшись выше начального уровня, под действием силы тяжести движется вниз и при этом выталкивает погруженное тело вверх. Чтобы в этом убедиться, достаточно посмотреть на отметку воды под дном корабля и на отметку воды за бортом корабля.

Никакой антигравитации тут конечно же нет, а есть водоизмещающая сила.

Когда нет предварительного водоизмещения (например тело сначала погружено на дно сосуда, а затем в сосуд заливают воду, сила Архимеда по-прежнему отлично действует.

Объяснить это уже сложнее, для этого нужно сначала виртуально перенести тело к поверхности воды, чтобы увидеть разницу отметок воды под телом и на поверхности воды. А потом поверить, что тело, имеющее вес в 1000 раз меньше воды, может поднимать более тяжелую воду того же объема, как минимум на начальном этапе движения. Вода, конечно не поднимается, а растекается под действием все той же силы тяжести, но сути это не меняет.

Ну а для всех сомневающихся есть еще разница гидростатических и гидродинамических давлений, действующих на погруженное тело со всех сторон, (возможно и еще какие-то хитрости, о которых я не знаю).

Но как быть в ситуациях, когда нет предварительного водоизмещения и отсутствует разница гидростатических давлений, а сила Архимеда продолжает действовать?

Мы видим, что совершается работа - мензурка с воздухом поднимается вверх потому, что обычный воздух с плотностью в 1000 раз меньше плотности воды давит через мензурку на воду снизу сильнее, чем вода сверху на воздух в мензурке:

Что такое давление? После всех возможных преобразований (p = ρV/S = m/S, при S = l 2 , V = l 3 ) давление - это плотность, умноженная на длину, в данном случае - среднюю толщину слоя (все вычисления в килограмм-силах, кг·с), т.е.:

р = ρl (766.4.1)→

Так как площадь взаимодействия S одинаковая для обеих сил, то:

Как эти формулы ни крути, как ни преобразовывай (можно еще через работу все это выразить, типа А = Fl = рS или через энергию), но с точки зрения арифметики тут все равно явное несоответствие.

Конечно можно подключить еще и дифференцирование, интегрирование и прочее логарифмирование и доказать, что в приведенных формулах все правильно (особенно если начать с Е = mc 2 = mv 2 /2), но я так красиво не умею, поэтому предполагаю, что давление воздуха может быть больше давления воды только в одном случае:

Примечание: В данном случае не важно, за счет чего создается давление, только за счет внутреннего давления или и внутреннего давления и дополнительных сил, действующих на тело.

Чтобы это подтвердить это очевидное при всей своей невероятности предположение, были созданы следующие условия подъема мензурки с воздухом как минимум в самом начале опыта:

1. На мензурку с воздухом давит сверху атмосферное давление и гидростатическое давление слоя воды. Гидростатическое давление жидкости на воздух снизу = 0, т.е. внутри мерного стакана примерно атмосферное давление воздуха (перепад по высоте можно не учитывать), т.е. должно быть:

где р_Δt - это дополнительное давление, возникающее в течение определенного промежутка времени. Почему возникает это дополнительное давление, мы рассмотрим позже.

6. При заливке более холодной воды (разница температур до 10 градусов) время задержки всплытия дошло до 5-7 секунд. Это можно объяснить только тем, что чем ниже температура пластиковой мензурки, тем выше ее прочность (и это - логично, так как при повышении температуры пластик будет создавать все меньшие сжимающие напряжения, действующие на стенки стакана, а в конце вообще расплавится - перейдет в жидкое агрегатное состояние), т.е. предварительно созданные сжимающие напряжения увеличиваются, и чтобы их преодолеть, требуется дополнительное время. В формулах это будет выглядеть примерно так:

↑р_{0 возд} + ↑2р_Δt > ↓р_{0 вод} + ↓2р_сж (766.6.7)

Если приведенное выше объяснение вас ни в чем не убеждает и вы по-прежнему верите, что вода, находящаяся сверху тела, давит при этом на тело снизу, то можете дальше не читать, для остальных я продолжу.

Итак, что же это за загадочная сила, которая конечно же начинает действовать сразу после того, как мы наливаем воду, но для того, чтобы увеличить давление на воду, ей требуется время? Ответ очень прост - это все та же сила антигравитации (шучу - просто подъемная сила воздуха). И она действует на воздух под мензуркой потому, что плотность воздуха больше плотности воды.

А время ей требуется для того, чтобы совершить работу А - повысить давление на дно мензурки и понизить давление на дно стакана, т.е. переместить некоторое количество частиц воздуха вверх на некоторое расстояние l. При этом за счет изменения разницы давлений на уровне дна стакана увеличивается внешнее давление на стенки мензурки, ободок мензурки сжимается еще больше, сила трения уменьшается.

Согласен, что для обычных людей это звучит еще невероятнее, чем сила, которая действует на тело с одной стороны, но при этом толкает тело в другую сторону и мысль, которая первой приходит в голову после озвучивания неравенства масс, будет примерно следующей:

"С вами, учеными, только беда одна, никак не угомонитесь. Вот жили мы на плоском острове, вокруг плоское море, а значит и Земля плоская. Все логично. Но тут вы со своими научными вопросами

- Почему Земля не тонет, ведь она тяжелее воды?

- А под ней гигантская черепаха.

- Почему плоская Земля не съезжает со сферического панциря?

- А на панцире три слона стоят.

- Чем слоны в воде дышат?

- М-м-м, хорошо, пусть будут три кита. А за закон Архимеда спасибо, теперь мы знаем, почему киты не тонут. Но нет, вам мало того, что придумали круглую землю, центр тяжести, гравитацию, радиусы всякие евклидные. У вас еще и Земля вокруг Солнца вращается, хотя мы каждый день прекрасно видим, что Земля на месте, а это Солнце всходит и заходит, ну или пусть будет по-вашему, вращается. Может хватит уже, ну зачем вам еще и антигравитация, толку с нее?"

Мысль вполне здравая, обидно только, что подобных мыслей могут придерживаться и некоторые ученые, ну а мы продолжим.

Масса у тела может быть только одна - инерционная

Какова на самом деле природа силы поверхностного натяжения жидкости, как площадь поверхности контакта воды и воздуха влияет на значение подъемной силы - это отдельные достаточно сложные и интересные вопросы, не имеющие прямого отношения к теме данной лекции.

И да, сила водоизмещения и сила Архимеда - это две разные силы.

Силу водоизмещения действительно достаточно легко и точно можно определить по формулам (766.1) и (766.2). А чему равна сила Архимеда - можно измерить опытным путем. У меня получилось, что сила Архимеда в 1.2 раза больше силы гравитации, если использовать силу антигравитационного ветра (назовем так центробежную силу для красоты) и знания сопромата, то можно увеличить эффект до 2 раз.

Если исходить из того, что плотность воздуха в 1.333 раза больше плотности воды, что соответствует коэффициенту преломления, то и сила Архимеда должна быть примерно в 1.3 раза больше гравитационной силы, что и было продемонстрировано в первом видео. Таким образом:

Возникает сила антигравитации потому, что одноименные заряды отталкиваются, т.е. в данном случае воздух отталкивается от то ли жидкого, то ли газообразного водорода под тонкой оболочкой Земли. Отсюда следуют еще более неутешительные для современной науки выводы.

Например, получается, что самый плотный газ - это водород. Именно он имеет самую большую инерционную массу при том же объеме. И его подъемная сила в воде примерно в 15 раз больше, чем обычного воздуха. А отталкивается водород от центра масс потому, что ядро Земли. - это тоже водород!

Вообще-то в этом ничего странного нет. Солнце на 97% состоит из водорода, во всяком случае, так утверждают современные ученые.

Почему анализ изверженной магмы показывает большое наличие в магме железа? Возможно потому, что из водорода образуются все остальные химические элементы при изменении температуры и давления. Это косвенно подтверждается экспериментами одного знакомого мне физика, генерирующего углерод и железо из воды.

Почему водород не покидает пределы атмосферы и почему Земля не отталкивается от Солнца? Во-первых, не факт, что водород не покидает пределы известной нам атмосферы, этого никто не проверял. Насколько именно удаляются молекулы водорода от центра тяжести Земли - это нужно проверять. А еще сила притяжения всегда немного больше силы отталкивания. Почему сила притяжения всегда больше силы отталкивания? Ответ на этот вопрос поможет дать следующая картинка, иллюстрирующая изменение радиуса взаимодействия электрических зарядов:

На рисунке мы видим изменения радиуса взаимодействия из-за смещения условных центров тяжести зарядов. По моему, гениально, потому что очень просто. Автор идеи, насколько я понимаю, некто Петров В.М.

Да и вообще, мир должен быть значительно проще, чем это пытаются нам представить современные ученые, все еще пытающиеся опереть плоскую Землю на трех китов.

Вот собственно и все, что я хотел сказать по этому поводу. Во всяком случае пока.

На этом пока все.

Доступ к полной версии этой статьи и всех остальных статей на данном сайте стоит всего 30 рублей. После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью, адресом электронной почты и продолжением статьи. Если вы хотите задать вопрос по расчету конструкций, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Зараннее большое спасибо.)). Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье "Записаться на прием к доктору"

Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783

Номер карты Ymoney 4048 4150 0452 9638 SERGEI GUTOV

Для Украины - номер гривневой карты (Приватбанк) 5168 7422 4128 9630

Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье "Записаться на прием к доктору" (ссылка в шапке сайта).

Урок по Естествознанию Урок 63-64 Как действует закон Архимеда в воздухе. Как применяют закон Архимеда. Как тела плавают в воде. Цели обучения, которым посвящен урок4.5.1.1 описывать силу Архимеда и приводить примеры ее проявления; 4.1.2.2 представлять полученные результаты в форме по выбору учащегося

Содержимое разработки

Естествознание

Как действует закон Архимеда в воздухе.

Как применяют закон Архимеда.

Как тела плавают в воде.

ШКОЛА: сшг№17

Дата: 4.05

ФИО преподаватель: Айткожина Ш.Ж.

Цели обучения, которым посвящен урок

4.5.1.1 описывать силу Архимеда и приводить примеры ее проявления;

4.1.2.2 представлять полученные результаты в форме по выбору учащегося

Запланированная деятельность

Рекомендации по выполнению

-Добрый день! Рада приветствовать тебя на уроке естествознания!

Ты изучишь и будешь описывать силу Архимеда и приводить примеры ее проявления;
Ты будешь наблюдать и прогнозировать силу Архимеда, действующую на различные предметы в воде.

- Начнем работу!

Изучи! Просмотри рисунки

Стр 74. -75 в учебнике

(сила притяжения и выталкивающая сила, сила тяжести)

В воздухе действует такая же, выталкивающая сила, как и в воде. Закон Архимеда

Об этом свидетельствует воздух, который мы ощущали, когда делали упражнения. То есть воздух противодействует движению ладоней.

Подсказка( Гелий, воздух, тяжелее, легче)

1.Какие силы на него воздействуют на плывущего человека?

2. Теперь встань с места. Какая сила действует на тебя?

3. Помаши ладонями в разные стороны. Что ты чувствуешь? Во время взмаха, воздух помогал или мешал тебе?

4 . Сделай движение, как будто плывёшь. Где ты можешь сейчас плыть?

Пусть тебя проверят родители, как ты ответил на вопрос

2. Рассмотри два шара. Почему один в воздухе? Другой на земле?

Изучи! Выполни

Выполни тестовые задания.

1. Каким газом наполняют баллон для того, чтобы воздушный шар полетел?

2.Почему используется этот газ?

3.Какая сила действует на тело со стороны воздуха?

Прочитай сведения в учебнике на стр 75.

Попроси родителей показать видео о воздухоплавательных аппаратах.

Ты узнаешь, как закон Архимеда применяется в жизни

Просмотри видео

Рассмотри картинки

Ответь на вопросы:

Предположи: почему одно губка утонула, а другая нет?

Предположи: почему один мандарин плавает на поверхности, а другой утонул? _____________________________________

Это алюминиевые шары. Предположи: почему один из них утонул, а другой нет.

Как ты думаешь, почему спасательные устройства делают из пенопласта?

Проверь себя

1. Одна напитана водой, вторая сухая, в ней есть воздух.

2. Очищенный тонет, а неочищенный нет. Под кожурой есть слой воздуха.

3. Один шар полый, внутри есть воздух – он не тонет

4. Потому что резиновые спасательные средства могут сдуться, порваться.

Проведи эксперимент. Заполни таблицу. С 77 учебника

Из чего состоит лёд?

Почему он плавает и не тонет?

Почему лодку делают из дерева?

Тела могут плавать на поверхности жидкости или внутри нее в зависимости от действия силы Архимеда.

с 76-77 читать, ответить на вопросы

Когда выполнишь задания, сфотографируй свою работу и отправь мне на проверку на почту до следующего понедельника.

Очень жду! У тебя всё получится! Удачи!

-75%

Вместе с преподавателем физики разбираемся, в чем измеряется и от чего зависит сила Архимеда. А в конце статьи вспомним известную легенду о том, как был открыт закон Архимеда, и узнаем, действует ли он в условиях невесомости

Как объяснить, почему плавают огромные корабли из стали, которая тяжелее воды? Да еще и перевозят тонны грузов. Это происходит благодаря открытию, сделанному за два с лишним столетия до нашей эры изобретателем и ученым Архимедом.

Фокусировка световых лучей при помощи зеркал. По легенде, так были сожжены римские корабли, осаждавшие Сиракузы. Недавно энтузиасты провели экспериментальную проверку и удалось поджечь деревянный баркас.

На тело, погруженное в жидкость или газ, действует подъемная, она же выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу вытесненного объема жидкости или газа.

Предыдущая формулировка годится только для участка цепи, где отсутствует сам источник электродвижущей силы. В реальности ток течет по замкнутому контуру, где обязательно есть батарея или генератор, имеющий собственное внутреннее сопротивление. Поэтому формула закона Ома для полной цепи выглядит несколько сложнее

Где: F_A — сила Архимеда;
ρ — плотность жидкости или газа, в которое погружают тело;
g — ускорение свободного падения, которое зависит от того, на какой планете или спутнике мы находимся. Для поверхности Земли, например, ускорение примерно равно 9,8 м/с 2 ;
V — объем погруженной в среду части тела.

Архимед и наше время

— Сила Архимеда, она же выталкивающая сила, действует на любое тело, погруженное в жидкость или газ. Эта сила всегда пытается вытолкнуть инородное тело из жидкости или газа.

— Так, например, для определения выталкивающей силы, действующей на камень, лежащий на дне озера, нужно брать весь его объем. Если же определяем силу Архимеда, действующую на мяч, плавающий по этому озеру, то нужно брать лишь объем той части, которая находится под водой. Зависимость выталкивающей силы от ускорения свободного падения позволяет сделать интересный вывод о том, что в невесомости силы Архимеда нет.

Зная, что сила Архимеда зависит от плотности жидкости, можно объяснить следующее явление: куриное яйцо, помещенное в обычную воду, утонет и будет лежать на дне банки. Но стоит добавить в эту банку насыщенный раствор поваренной соли и тем самым изменить плотность воды — и яйцо начинает всплывать.

— Открытие закона Архимеда связано с интересной легендой. Древнегреческий царь Герон II приказал ювелирам изготовить золотую корону, что и было вскоре выполнено. Царь заподозрил, что ювелиры его обманули и сделали корону из электрона, сплава золота и серебра. Отличить подделку на глаз не удалось. Для проверки пригласили ученого из Сиракуз по имени Архимед. Достаточно было сравнить объем короны с объемом куска золота такой же массы.

Сравнив объемы воды, вытесненной короной и куском золота такой же массы, он уличил ювелиров в нечестности и алчности. Так Архимедом был открыт закон, который позволяет нам объяснить, почему ходят по морям и океанам огромные корабли, изготовленные из железа, а маленькая металлическая гайка тонет.

Архимед — один из самых великих ученых древности. Его гениальному уму принадлежит множество открытий, которые актуальны по сей день. Так, в III веке до нашей эры он открыл закон, названный впоследствии его именем. До сих пор это один из главных законов в физике.

Закон Архимеда. Условие плавания тел

Суть закона Архимеда заключается в следующем:

На тело, которое находится в жидкости или в газообразном веществе, действует сила выталкивания, численно равная весу той жидкости или газа, которые были вытеснены телом.

Силу выталкивания называют также силой Архимеда.

История этого научного открытия по-настоящему интересна. Этот закон был открыт ученым при следующих обстоятельствах. Тогдашний правитель пригласил ученого к себе и попросил установить, действительно ли его новая корона выполнена из чистого золота. Царь подозревал своего ювелира в обмане.

Технологии того времени не позволяли каким-то образом выяснить химический состав сплава, и Архимед пытался понять, как можно выполнить просьбу царя. Перед ним стояла непростая задача. Размышляя об этом, он решил принять ванну и когда лег в нее, наполненную до краев, часть воды вылилась. Ученый предположил, что вес выделившейся воды равен весу его тела, и был прав.

Сравнив вес воды, вытесненной короной и слитком золота, равного ей по весу, Архимед пришел к выводу, что царь абсолютно прав, подозревая своего ювелира в нечестности.

Сила выталкивания зависит от 3-х составляющих:

плотности вещества, в котором находится объект;
ускорения свободного падения;
объема погруженной в вещество части тела.

Поэтому для того, чтобы объект плавал на поверхности, важно, чтобы его плотность была меньше плотности того вещества, в котором он находится.

Для того чтобы тело погрузилась в вещество полностью, важно, чтобы плотность тела и плотность той жидкости или газа, в которых оно находится, были равны.

Для того чтобы тело ушло на дно, нужно, чтобы его плотность была больше, чем плотность вещества, в котором оно находится.

Действие жидкости и газа на погруженное в них тело

Закон Архимеда получил свое применение в плавании и воздухоплавании.

На примере морского судна в воде рассмотрим, как жидкость воздействует на погруженное в него тело.

Корабль не тонет, потому что его корпус наполнен воздухом. Плотность судна получается меньше плотности воды, Архимедова сила выталкивает его на поверхность.

Но корабль начнет тонуть, если получит пробоину и его корпус наполнится водой. В этом случае его плотность увеличится, и он пойдет ко дну.

Этот принцип лежит в основе управления подводными лодками. Судна снабжены специальными резервуарами, которые заполняются воздухом или водой. Таким образом происходит управление лодкой, чтобы поднять ее к поверхности или опустить на нужную глубину. Точно так же устроены рыбы, которые наполняют воздухом плавательный пузырь и регулируют глубину погружения.

Аналогично воде сила Архимеда действует и в воздухе. Но за счет того, что плотность воздуха, как правило, гораздо ниже плотности погруженных в него предметов, сила выталкивания очень мала.

Почему воздушный шарик, наполненный гелием, улетает вверх? Все просто. Плотность гелия гораздо ниже плотности воздуха. Если же наполнить воздушный шар обычным воздухом, он не взлетит, а упадет на землю. Плотность внутри него будет такая же, как и снаружи, но за счет плотности резины шарик станет тяжелым.

Закон Архимеда используется для полетов на воздушных шарах и дирижаблях. Их наполняют горячим воздухом или гелием, чтобы подняться вверх, и снижают температуру воздуха или концентрацию газа, чтобы шар опустился на землю.

Формула силы Архимеда

Математически закон Архимеда выглядит так:

где F A — сила выталкивания, ρ — плотность вещества, в которое погружено тело, g — коэффициент свободного падения, а V — объем тела.

Когда сила Архимеда не работает

Есть случаи, в которых сила Архимеда не действует на тело, находящееся в газе или жидкости.

Читайте также: