Выталкивание в жидкостях    

       Один и тот же объект погружается больше или меньше в разные жидкости 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.

       Предельная скорость падения при соответствующих услови­ях может быть достигнута. Например, дождевые капли, падающие с боль­шой высоты, достигают своей предель­ной скорости падения, когда вытал­кивающая сила и сила сопротивле­ния воздуха составят в сумме значе­ние, равное весу капли.

       Когда плотность твердого тела меньше плотности жидкости, то эта жидкость всегда может создать вытал­кивающую силу, равную весу тела. Представьте пробку, плавающую сна­чала в воде, а затем в метиловом спир­те (рис. 3.17). Пробка приходит в состояние равновесия в обеих жидкос­тях, но в метиловом спирте она по­гружается глубже, чем в воде. Плот­ность метилового спирта меньше плот­ности воды, и поскольку выталкиваю­щая сила — это вес жидкости, вытес­ненной пробкой, то должен быть вы­теснен больший объем менее плотного метилового спирта для того, чтобы возникла выталкивающая сила, рав­ная весу пробки. Поэтому пробка в метиловом спирте и погружается глубже.Конечная скорость падения, когда силы уравновешиваются

       Не только менее плотные твердые тела могут плавать в жидкостях, но и менее плотные жидкости могут пла­вать в более плотных жидкостях, пока эти две жидкости не смешаются. При­мерами являются вода, плавающая в ртути, керосин, плавающий в воде, уксус, плавающий в масле.

       Объекты, сделанные из плотных материалов, тоже могут плавать: на­пример, корабли, сделанные из стали, плавают по воде, хотя плотность стали значительно больше плотности воды. Это возможно, потому что средняя плотность всего корабля меньше плот­ности воды. Поскольку средняя плот­ность — это масса корабля, деленная на его объем, включающий в себя пространства, наполненные воздухом, то корабль будет плавать, если воз­душные пространства достаточно ве­лики. Интересно заметить, что плотность морской соленой воды больше, чем плотность обыкновенной пресной воды, и поэтому корабль с определен­ным весом плавает выше в воде, на­ходясь в море, чем в реках, напол­ненных пресной водой. Более того, теп­лая морская вода менее плотная, чем холодная морская вода, и поэтому ко­рабль погружается глубже в более теплых водах. При загрузке корабля следует принимать во внимание кли­мат морей, по которым он пройдет Различные уровни или линии, обозна­ченные на борту корабля, показывают безопасные уровни погружения для этих различных плотностей воды.

Copyright © 2011-2014  globalphysics.ru
All Rights Reserved