Условие плавания тел следующее: если вес тела в точности равен весу вытесненной им жидкости, оно будет находиться в равновесии внутри жид­кости (плавать).

 Ареометры

Прибором, принцип действия ко­торого основан на законе Архимеда, является ареометр постоянного веса, который плавает на разных уровнях в жидкостях с различной плотностью. Один из видов такого ареометра по­казан на рисунке. Ареометр по­гружается в жидкость до тех пор, пока вес вытесненной жидкости не уравняется с его весом. Ареометр про градуирован для измерения плотности жидкости в кг-м^-3. Он плавает вер­тикально, потому что его колба на­гружена свинцовой дробью. Узкая стеклянная трубка ареометра дает большую точность показаний.

 Выталкивание имеет место не толь­ко в жидкостях, оно также может про­исходить и в газах. Например, и шары, наполненные горячим воздухом или водородом, и дирижабли, и пр. все могут плавать или даже подниматься в воздух вследствие выталкивания, когда объект вытесняет большой объем воздуха, вес которого равен весу объекта или превышает его. Представьте шар, надутый воздухом, как на рисунке. Вес воздуха внутри шара и вес материала, из ко­торого он сделан, в сумме всегда бу­дут больше веса воздуха, вытесняемого шаром, поскольку объем вытеснен­ного воздуха приблизительно равен объему воздуха внутри шара. Поэтому подъемная сила U₁меньше веса W₁ и результирующая сила, направленная вниз, которая действует на шар, за­ставляет его медленно опускаться. Су­ществует также тормозящая сила тре­ния F (сопротивление воздуха), воз­никающая вследствие движения шара в воздухе, которая замедляет это движение.

    Хорошо известно, что определен­ные твердые вещества, например проб­ка и дерево, плавают в воде, в то время как другие, такие, как стекло, камень и металлы, тонут. Какие же свойства твердого тела и жидкости определяют, утонет тело или нет? Решающим фак­тором является соотношение плотнос­ти твердого тела и плотности жид­кости. Если плотность твердого тела больше плотности жидкости, то его масса более плотно упакована в дан­ный объем. Поэтому вес жидкости, ко­торую он вытесняет, меньше его веса, и, таким образом, выталкивающая сила также меньше, чем вес твердого тела. Таким образом, присутству­ет направленная вниз результирую­щая сила (W - U) = (вес - вытал­кивающая сила), которая действует на твердое тело, и оно тонет.

    Ускорение твердого тела при погружении в воду будет меньше ускорения свободного падения. Вместе с тем сопротив­ление воды движению твердого тела мало, и поэтому оно ускоряется доста­точно быстро.

    Если стальной шарик брошен в вязкую жидкость, такую, как гли­церин, то все происходит совсем иначе. Когда шарик брошен в эту жидкость, он ускоряется; сила внутреннего тре­ния (вязкость) F глицерина, дейст­вующая на шарик, увеличивается со скоростью шарика до тех пор, пока эта и выталкивающая силы в сумме не станут равны его весу. Когда силы уравновесятся, шарик продолжит дви­жение с постоянной скоростью, извест­ной под названием предельной ско­рости падения.

   При проведении исследования - проверка на практике закона Архимеда, можно использовать прибор, показанный на рисунке. Подвесьте при помощи тонкой нити на пружинные весы твердое тело, например брусок металла. Запишите вес W₁ твердого тела. Используемый брусок должен давать растяжение, близкое к максимальному для применяемых весов. Наполните отливной сосуд водой до уровня стока, соберите и удалите излишки воды, вылившейся через сток. Поместите чистый сухой лабораторный стакан на весы и запишите его вес w₁. Затем осторожно опустите висящее на весах твердое тело в отливной сосуд так, чтобы часть его погрузилась в воду.

   Хотя вес W₁твердого тела не изменился, показание W₂ на пружинных весах дает кажущееся уменьшение веса. Эта видимая потеря веса является следствием действия направленной вверх выталкивающей силы U₁, действующей на твердое тело вследствие вытеснения им воды.

Представим себе пробку, которая погружается под поверхность воды в сосуде (рис. 3.14).  Силами,   действующими на пробку, являются сила тяжести W и сила давления F вниз пальца плюс выталкивающая сила U₁ воды. Если пробка неподвижна, то W + F = U₁. Поскольку U₁>W, то ре­зультирующая этих двух сил, направ­ленная вверх (U₁ — W), заставит пробку ускоряться вверх, когда палец уб­ран. Постепенно пробка придет в сос­тояние покоя в частично погруженном в воду положении. Это произойдет при U₂=W, т. е. когда выталкиваю­щая сила U₂ станет равна весу пробки. Архимед исследовал закономерности плавания тел и обнаружил зависи­мость, известную как закон Архиме­да.

Теперь давайте перейдем от сил в твердых телах к силам в жидкостях. Если твердое тело погружается в жид­кость, то оно будет вытеснять жид­кость и в результате жидкость будет оказывать ответное давление на твер­дое тело. Это пример третьего закона движения Ньютона, который утверж­дает, что действие и противодействие равны и противоположны. Исходящая от жидкостей направленная вверх си­ла, действующая на объекты, поме­щенные в жидкость, известна как выталкивающая сила. Выталкиваю­щая сила действует на тело в жид­кости, даже если это тело закрепле­но на какой-то опоре, такой, как, например, дно сосуда. Мраморный шарик, брошенный в воду, находя­щуюся в сосуде, погрузится на его дно, как показано на рисунке 3.13, а.

Зажмите один конец тонкой медной про­волоки длиной от 2 до 3 м и перекиньте ее через легко вращающееся колесико блока, как показано на рисунке. Присоедините  груз весом 0,5 Н к другому концу проволоки, для того чтобы она натянулась. Затем присоеди­ните к проволоке указатель так, чтобы он на­ходился рядом с миллиметровой шкалой.

До­бавляйте к висящему грузу различные гирьки порциями, например весом по 0,5 Н, и отме­чайте растяжение для каждого груза. В этом исследовании вы можете нагружать  проволоку до ее предела упругости и выше его, пока проволока не порвется.