Архимедова сила чем измеряется каким прибором

Архимедова сила

Техника по безопасным условиям труда (7 класс)

Введение

В своей работе по теме «Архимедова сила» я проведу и объясню три эксперимента, описанных в учебнике Перышкина А.В. Физика. 7 класс. Сделаю обзор применения рассматриваемого явления на практике, в природе.

Цель работы: развивать кругозор, логику мышления, умение демонстрировать и объяснять опыты, повышать интерес к физике и изучаемому материалу.

Выдвигаемая гипотеза: жидкость оказывает выталкивающее действие на погруженное в нее тело.

Опыт № 1 по рисунку 160. Ареометры

Возьму два ареометра и две мензурки. Первый ареометр предназначен для жидкостей, имеющих плотность меньшую, чем вода. Деления на нем нанесены сверху вниз. Опущу его в мензурку со спиртом, так чтобы не касался стенок, сниму показания. Плотность спирта равна 800 кг/м3. Второй ареометр предназначен для жидкостей с плотностью большей, чем вода. Деления на нем нанесены снизу вверх. Опускаю его в мензурку с водой. Снимаю показания на шкале. Плотность воды равна 1000 кг/м3. Оба ареометра плавали в жидкостях, не доставали дна сосуда, потому что кроме силы тяжести на них действовала еще выталкивающая сила со стороны жидкости. Осторожно вытираю ареометры и убираю в футляры.

Вывод из опыта № 1: на тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и архимедова сила, направленная вертикально вверх. Если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, т.е. если Fтяж = FA, то тело плавает.

История ареометров уходит своими корнями в далёкое прошлое. Считается, что данный прибор изобрела Гипатия, древнегреческий математик, учёный, философ и астроном. Произошло это где-то в 4-5 веке нашей эры. С тех пор актуальность использования ареометров вовсе не сошла на нет, а, напротив: данные приборы необходимы постоянно.

Принцип действия ареометра довольно прост, поскольку он основан на всем известном законе Архимеда. В сущности, данный прибор представляет собой стеклянную трубку, которая работает по принципу поплавка. В нижнюю часть ареометра засыпается дробь или ртуть. Это необходимо для того, чтобы ареометр был правильно откалиброван и имел стартовую массу. В верхней же части мы сможем увидеть шкалу (деления), которая укажет на плотность раствора или концентрацию вещества.

Формула расчёта результата довольно проста: плотность раствора = масса ареометра / объём, на который ареометр погружён в жидкость. Исходя из вышесказанного, в природе встречаются ареометры постоянного объёма и постоянной массы:

  • чтобы измерить плотность жидкости ареометром постоянной массы, делают следующее: ареометр должен быть сухим и чистым. Его погружают в жидкость так, чтобы он там свободно плавал. Результат смотрят по шкале, особое внимание обращая на нижний край мениска;
  • при работе ареометром постоянного объёма процедура измерений следующая: необходимо измерить массу ареометра путём погружения его до определённой метки. Плотность определяется по объёму вытесненной жидкости и массе груза.

Одной из разновидностей ареометров является спиртометр – это прибор, определяющий содержание спирта в водно-спиртовом растворе. Спиртометры подразделяют на лабораторные и бытовые. Нетрудно догадаться, что основным отличием здесь будет цена и точность индикации. «В народе» особой популярностью пользуются бытовые спиртометры, прежде всего, из-за низкой цены. Компания «Химзаказ» предлагает купить ареометры АСП-3 и АСП-Т. Они отличаются разными диапазонами измерений массовой доли, а также общей длиной.

При проведении измерений необходимо помнить, что точные показания гарантированы только при соблюдении нескольких условий: спиртометр не должен касаться стенок сосуда; температура измеряемой жидкости должна быть не менее 20 градусов по Цельсию; отсутствие различных примесей в растворе (например, сахарного сиропа и др.). Рекомендуют проводить измерения в очищенной от примесей дистиллированной воде. Это заметно увеличит точность показаний.

При соблюдении вышеуказанных условий, ареометры гарантируют максимально точные данные при проведении измерений. Используют ареометр для измерения:

  • плотности электролита в кислотных и щелочных аккумуляторах;
  • плотности цельного и обезжиренного молока, нефти и нефтепродуктов;
  • плотностей растворов солей и кислот, растворов солей, бетона.

При равных плотностях твердого тела и жидкости тело плавает внутри жидкости на любой глубине. Оказывается, плотность организмов, живущих в воде, почти не отличается от плотности воды, поэтому прочные скелеты им не нужны! Рыбы регулируют глубину погружения, меняя среднюю плотность своего тела. Для этого им необходимо лишь изменить объем плавательного пузыря, сокращая или расслабляя мышцы.

У берегов Египта, водится удивительная рыба фагак. Приближение опасности заставляет фагака быстро заглатывать воду. При этом в пищеводе рыбы происходит бурное разложение продуктов питания с выделением значительного количества газов. Газы заполняют не только действующую полость пищевода, но и имеющийся при ней слепой вырост. В результате тело фагака сильно раздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает на поверхность водоема. Здесь он плавает, повиснув вверх брюхом, пока выделившиеся в его организме газы не улетучатся. После этого сила тяжести опускает его на дно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей.

Чилим (водяной орех) после цветения дает под водой тяжелые плоды. Эти плоды настолько тяжелы, что вполне могут увлечь на дно все растение. Однако в это время у чилима, растущего в глубокой воде, на черешках листьев возникают вздутия, придающие ему необходимую подъемную силу, и он не тонет.

Опыт № 2 по рисунку 151. Ведёрко Архимеда

Ведерко Архимеда служит для демонстрации явления выталкивания жидкостью погруженного в нее тела и измерения выталкивающей силы. Прибор сверху снабжен дужкой для подвешивания к динамометру, а снизу – кольцом для подвешивания цилиндра. Внутренние размеры ведерка соответствуют наружным размерам цилиндра. К демонстрационному динамометру с ценой деления 0,1 Н подвешиваю небольшое ведерко и тело цилиндрической формы. Замечаю показания динамометра 1,6 Н. Это вес тела в воздухе. Цилиндр погружаю полностью в воду. При этом часть жидкости, объем которой равен объему тела, выливается из отливного сосуда в стакан. Указатель пружины динамометра поднимается вверх, пружина сокращается, показывая уменьшение веса тела в жидкости. В данном случае на тело, наряду с силой тяжести, действует еще и сила, выталкивающая его из жидкости. В ведерко переливаю жидкость из стакана (т.е. ту, которую вытеснило тело), пружина динамометра снова показывает силу 1,6 Н.

Ведерко Архимеда протираю насухо после проведения опыта и убираю.

Вывод из опыта № 2: сила, выталкивающая тело, целиком погруженное в жидкость, равна весу жидкости в объеме этого тела. Силу, выталкивающую тело из жидкости, называют архимедовой силой в честь древнегреческого ученого Архимеда, который впервые указал на ее существование и рассчитал ее значение.

Архимед, величайший древнегреческий ученый, математик, физик, изобретатель, родился в 287 г. до н. э. в Сиракузах, на острове Сицилия. Он прославился многочисленными научными трудами, главным образом в области геометрии и механики.

Последние три года жизни Архимеда Сиракузы были осаждены римскими войсками и флотом. По словам историков, Архимед для защиты города изобрел удивительные орудия и приспособления, которые губили римлян и наводили на них суеверный страх.

Силу Архимеда используют в кораблестроении. Голландский инженер и математик Симон Стевин (тот самый, который ввел в Европе десятичные дроби) в своем классическом труде «Принципы равновесия» (1586 г.) не только изящной формулировкой подтвердил закон Архимеда, но и доказал, что для равновесия плавающего тела его центр тяжести должен лежать на одной вертикали с центром величины (точкой приложения равнодействующей сил поддержания, расположенной в центре тяжести объема подводной части судна). При проектировании и конструировании кораблей и яхт необходимо учитывать основные законы физики. Ключевым моментом в проектировании кораблей выступает закон Архимеда. Если не углубляться в формулы, основной его принцип звучит следующим образом — на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила. Способности силы Архимеда к выталкиванию зависят от двух факторов: плотности материала, из которого состоит объект и его формы. Если с первым пунктом, все ясно — материал должен быть легче воды, иначе сила тяготения превысит действие силы Архимеда, и корабль пойдет ко дну, со вторым пунктом все не так просто. Форма яхты во многом формирует ее плавучесть. Известно, что на тело, погруженное в воду неравномерно, сила Архимеда действует пропорционально глубине погружения.

Следовательно, яхты, спроектированные с фигурным дном, будут обладать меньшей плавучестью и устойчивостью на воде. Более сильное действие силы Архимеда на выступающие части днища спровоцирует разбалансировку, могущую быть опасной при качке и шторме. Фигурное дно зачастую лишено практического смысла и может доставить больше неудобств, чем пользы.

Опыт № 3 по рисунку 149. Обнаружение силы, выталкивающей тело из жидкости

Для опыта беру динамометр, штатив, сосуд с водой и два тела разного объема. Динамометр закрепляю в штативе, подвешиваю первый груз в форме куба, массой 100 г. Вес тела в воздухе равен 1 Н. Полностью погружаю куб в воду. Динамометр показывает 0,6 Н. Значит архимедова сила равна 1 Н – 0,6 Н=0,4 Н. Снимаю куб и подвешиваю цилиндр. Вес цилиндра в воздухе так же равен 1 Н. Опускаю его полностью в воду, динамометр показывает 0,9 Н. Выталкивающая сила равна 0,1 Н. Сила Архимеда зависит от объема тела.

Вывод из опыта № 3: сила, выталкивающая тело из жидкости, направлена противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу, т. е. вертикально вверх. Архимедова сила зависит от объема этого тела. Чем больше объем, тем больше сила Архимеда FA.

Морские млекопитающие киты регулируют глубину своего погружения за счет уменьшения и увеличения объема легких. Попадая случайно на сушу, киты не проживают и часу. Масса кита достигает 90-100 т. В воде эта масса частично уравновешивается выталкивающей силой. На суше у кита под действием столь огромной массы сжимаются кровеносные сосуды, прекращается дыхание и он погибает.

Вывод из проделанных опытов

Проведенные исследования подтверждают выдвинутую гипотезу: на тело, находящееся в жидкости, действует сила, выталкивающая это тело из жидкости. Она направлена противоположно силе тяжести, приложенной к этому телу. Сила, выталкивающая тело, целиком погруженное в жидкость, равна весу жидкости в объеме этого тела. Она называется Архимедовой силой. Если сила тяжести равна архимедовой силе, то тело может находиться в равновесии в любом месте жидкости, т.е. тело плавает. Чем меньше плотность тела по сравнению с плотностью жидкости, тем меньшая часть тела погружена в жидкость.

Архимедова сила

Архимедова сила чем измеряется каким прибором

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Сила: что это за величина

Прежде чем говорить о силе Архимеда, нужно понять, что это вообще такое — сила.

В повседневной жизни мы часто видим, как физические тела деформируются (меняют форму или размер), ускоряются и тормозят, падают. В общем, чего только с ними не происходит! Причина любых действий или взаимодействий тел — ее величество сила.

Сила — это физическая векторная величина, которая воздействует на данное тело со стороны других тел. Сила измеряется в ньютонах — единице измерения, которую назвали в честь Исаака Ньютона.

Поскольку сила — величина векторная, у нее, помимо модуля, есть направление. От того, куда направлена сила, зависит результат.

Вот стоите вы на лонгборде: можете оттолкнуться вправо, а можете влево — в зависимости от того, в какую сторону оттолкнетесь, результат будет разный. В этом случае результат выражается в направлении движения.

Архимедова сила чем измеряется каким прибором

Открытие закона Архимеда

Так вышло, что закон Архимеда известен не столько своей формулировкой, сколько историей возникновения.

Легенда гласит, что царь Герон II попросил Архимеда определить, из чистого ли золота сделана его корона, при этом не причиняя вреда самой короне. То есть расплавить корону или растворить — нельзя.

Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно ведь определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита.

Рассчитать плотность металла, чтобы установить, золотая ли корона, можно по формуле плотности.

Формула плотности тела

ρ — плотность тела [кг/м 3 ]

m — масса тела [кг]

V — объем тела [м 3 ]

Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. Тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему.

Решение задачи было найдено и, согласно самой расхожей версии легенды, ученый закричал «Эврика!» и побежал докладывать о своей победе в царский дворец (и так торопился, что даже не оделся). 🤦🏻‍♂️

Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!

Формула и определение силы Архимеда для жидкости

На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют силы давления. Эти силы увеличиваются с глубиной погружения, и на нижнюю часть тела будет действовать со стороны жидкости большая сила, чем на верхнюю.

Равнодействующая всех сил давления, действующих на поверхность тела со стороны жидкости, называется выталкивающей силой или силой Архимеда. Истинная причина появления выталкивающей силы — наличие различного гидростатического давления в разных точках жидкости.

Определение архимедовой силы для жидкостей звучит так:

Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна по модулю весу вытесненной жидкости и противоположно ему направлена.

Формула архимедовой силы для жидкости

ρж — плотность жидкости[кг/м 3 ]

Vпогр — объем погруженной части тела [м 3 ]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g = 9,8 м/с 2 .

А теперь давайте порешаем задачки, чтобы закрепить, как вычислить архимедову силу.

Задача 1

В сосуд погружены три железных шарика равных объемов. Одинаковы ли силы, выталкивающие шарики? Плотность жидкости вследствие ничтожно малой сжимаемости на любой глубине считать примерно одинаковой.

Архимедова сила чем измеряется каким прибором

Да, так как объемы одинаковы, а архимедова сила зависит от объема погруженной части тела, а не от глубины.

Задача 2

На графике показана зависимость модуля силы Архимеда FАрх, действующей на медленно погружаемый в жидкость кубик, от глубины погружения x. Длина ребра кубика равна 10 см, его нижнее основание все время параллельно поверхности жидкости. Определите плотность жидкости. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с 2 .

Архимедова сила чем измеряется каким прибором

Сила Архимеда, действующая на кубик, равна FАрх = ρжgVпогр.

Vпогр. — объем погруженной части кубика,

Учитывая, что нижнее основание кубика все время параллельно поверхности жидкости, можем записать:

где а — длина стороны кубика.

Рассматривая любую точку данного графика, получим:

ρ = FАрхga 2 x = 20,25 / 10 × 7,5 × 10 -2 = 2700 кг/м 3

Ответ: плотность жидкости равна 2700 кг/м 3 .

Условия плавания тел

Из закона Архимеда вытекают следствия об условиях плавания тел.

Плавание внутри жидкости

Плавание на поверхности жидкости

Архимедова сила чем измеряется каким прибором

Архимедова сила чем измеряется каким прибором

Архимедова сила чем измеряется каким прибором

Если плотность тела меньше плотности жидкости или газа — оно будет плавать на поверхности.

Почему корабли не тонут?

Корабль сделан из металла, плотность которого больше плотности воды. И, по идее, он должен тонуть. Но дело в том, что корпус корабля заполнен воздухом, поэтому общая плотность судна оказывается меньше плотности воды, и сила Архимеда выталкивает его на поверхность. Если корабль получит пробоину, то пространство внутри заполнится водой — следовательно, общая плотность корабля увеличится. Судно утонет.

В подводных лодках есть специальные резервуары, которые заполняют водой или сжатым воздухом. Если нужно уйти на глубину — водой, если подняться — сжатым воздухом. Рыбы используют такой же принцип в плавательном пузыре — наполняют его воздухом, чтобы подняться наверх.

Человеку, чтобы не утонуть, тоже достаточно набрать в легкие воздух и не двигаться — вода будет выталкивать тело на поверхность. Именно поэтому важно не тратить силы и кислород в легких на панику и борьбу, а расслабиться и позволить физическим законам сделать все за нас.

Формула и определение силы Архимеда для газов

На самом деле тут все очень похоже на жидкости. Начнем с формулировки закона Архимеда:

Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в газ, равна по модулю весу вытесненного газа и противоположно ему направлена.

Формула архимедовой силы для газов

Vпогр — объем погруженной части тела [м 3 ]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g = 9,8 м/с 2 .

Сила Архимеда для газов действует аналогично архимедовой силе для жидкостей. Давайте убедимся в этом, решив задачку.

Задача

Груз какой максимальной массы может удерживать воздушный шар с гелием объема 0,3 м 3 , находясь в атмосфере Земли? Плотность воздуха равна 1,3 кг/м 3 . Гелий считать невесомым.

Подставляем значения и получаем:

По второму закону Ньютона для инерциальных систем отсчета:

Выражаем массу груза и подставляем значения:

m = FАрх / g = 0,39 / 10 = 0, 039 кг = 39 кг

Ответ: груз максимальной массы 39 г может удержать данный шарик с гелием.

Когда сила Архимеда не работает

Архимедова сила не работает лишь в трех случаях:

Невесомость. Главное условие возникновения Архимедовой силы — это наличие веса у среды. Если мы находимся в невесомости, холодный воздух не опускается, а горячий, наоборот, не поднимается.

Тело плотно прилегает к поверхности. Отсутствие газа или жидкости между поверхностью и телом свидетельствует об отсутствии выталкивающей силы — телу просто неоткуда выталкиваться.

Растворы и смеси. Если взять спирт, плотность которого меньше плотности воды, и смешать его с водой, получится раствор. На него не будет действовать сила Архимеда, несмотря на то, что плотность спирта меньше плотности воды — он просто растворится.

Источник