Поймем плавучесть: формула, примеры и применение в жизни

Чувствовали ли вы легкость в воде или ведро кажется легче, когда черпаете воду из колодца? Это проявление плавучести. При погружении в жидкость на тело действует сила, направленная вверх, противодействующая гравитации.

Именно поэтому вес тела в воде уменьшается. Это также объясняет, почему игла тонет, а пластиковая бутылка плавает, несмотря на разницу в массе.

В этой статье разберем: что такое плавучесть, её диаграммы, применение, причины, виды, как она возникает, плотность и относительную плотность, и почему предметы плавут или тонут.

Начинаем!

Что такое плавучесть

Плавучесть (выталкивающая сила, сила Архимеда) — сила, действующая на тело, погруженное в жидкость или газ, направленная вертикально вверх. Она равна весу вытесненной жидкости.

В столбе жидкости давление растет с глубиной из-за веса надлежащих слоев. Давление на нижней грани погруженного тела больше, чем на верхней. Разница давлений создает результирующую силу, направленную вверх.

Принцип Архимеда: выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости. Если средняя плотность тела больше плотности жидкости — оно тонет. Если меньше — плавает. Это работает в неинерциальных системах отсчета с гравитационным полем или ускорением, задающим направление «вниз».

Единица измерения — Ньютон (Н).

Центр плавучести — центр тяжести объема вытесненной жидкости. Точка приложения выталкивающей силы. Сила вертикальна, поэтому центр плавучести лежит на вертикали, проходящей через центр тяжести вытесненной жидкости.

Применение плавучести

Сфера применения огромна: подводные лодки, горячевоздушные шары, рыбы, пловцы. Основные примеры:

• Горячевоздушный шар: Воздух в атмосфере оказывает силу Архимеда. Шар с горячим воздухом плавает, так как его плотность ниже внешней. Снижается, когда вес шара превышает выталкивающую силу. Стационарен при равенстве веса и силы Архимеда.
• Подводная лодка: Балластные цистерны заполняются водой для погружения (вес > силы Архимеда) или сдуваются сжатым воздухом для всплытия.
• Корабль: Плавает за счет вытеснения объема воды, вес которой равен весу корабля. Полый корпус делает среднюю плотность корабля ниже плотности морской воды.
• Рыба: Наполняет плавниковый мешок газами из своего тела — становится легче и всплывает. Опорожняет — тонет.

Формула плавучести (Принцип Архимеда)

F_б = ρ · V · g

• F_б — сила Архимеда (Н)
• ρ — плотность жидкости (кг/м³)
• V — объем вытесненной жидкости (м³)
• g — ускорение свободного падения (≈ 9,81 м/с²)

Пример:

Тело вытесняет 0,5 м³ воды (ρ = 1000 кг/м³):

F_б = 1000 · 0,5 · 9,81 = 4905 Н

Вода толкает тело вверх с силой 4905 ньютонов.

Причины и примеры плавучести

Причина — давление жидкости, растущее с глубиной. Сила всегда направлена вверх. Примеры:

• Корабль или лодка на воде
• Пробка в воде всплывает
• Плавающий человек
• Воздушный шар с гелием поднимается вверх
• Айсберг в океане (лед менее плотен воды)
• Спасательный жилет удерживает человека на поверхности
• Нефтяное пятно на море
• Подводная лодка регулирует глубину балластом
• Пузырьки газа поднимаются в газировке
• Лава-лампа: восковые капли поднимаются и опускаются при нагревании/охлаждении

Виды плавучести

Три типа:

• Положительная: тело легче вытесненной жидкости — плавает.
• Отрицательная: тело плотнее жидкости — тонет.
• Нейтральная: вес тела равен весу вытесненной жидкости — висит на глубине.

На плавучесть влияют: плотность жидкости, объем вытесненной жидкости, локальное ускорение свободного падения.
НЕ влияют: плотность погруженного тела и его масса (влияют только на вес тела, а не на силу Архимеда).

Плотность и относительная плотность

Плотность — масса на единицу объема: ρ = m / V. Единица СИ: кг/м³. Плотность воды при 100 °C: 0,9584 г/см³.

Относительная плотность (удельный вес) — отношение плотности вещества к плотности воды при 4 °C. Безразмерная величина.

Почему предметы плавают или тонут в воде

Представьте воду как слои с разным давлением. Давление снизу больше, чем сверху. Разница создает силу, ускоряющую тело вверх. Величина этой силы равна весу вытесненной жидкости.

Если плотность тела меньше плотности воды — оно плавает. Если больше — тонет.

Заключение

Плавучесть — фундаментальный принцип гидростатики, объясняющий, почему объекты плавают или тонут. Описывается принципом Архимеда: выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости. Понимание плавучести критично для судостроения, авиации, гидравлики, метеорологии и решения инженерных задач.

FAQ по плавучести

Что такое плавучесть?

Восходящая сила, которую жидкость или газ оказывает на погруженное в него тело, противодействуя его весу.

Что определяет, всплывет объект или тонет?

Если плотность объекта меньше плотности жидкости — плавает; если больше — тонет.

Что такое принцип Архимеда?

Выталкивающая сила на погруженном теле равна весу вытесненной им жидкости.

Действует ли плавучесть в газах?

Да. Пример — горячевоздушные шары, поднимающиеся в атмосфере.

Может ли плавучесть быть отрицательной?

Да. Когда вес тела превышает силу Архимеда — отрицательная плавучесть, тело тонет.

Почему стальные корабли плавают?

Сталь плотна, но корпус полый — корабль вытесняет объем воды, вес которой превышает вес корабля.