Розділ 3 ВЗАЄМОДІЯ ТІЛ. СИЛА
& 48. ПЛАВАННЯ ТІЛ
Ви, звичайно, добре знаєте, що різні тіла, потрапляючи в рідину, можуть спливати на її поверхню, тонути чи плавати під поверхнею рідини. Дерев’яний брусок спливе на поверхню, навіть якщо його повністю занурити в неї, шматок пінопласту плаває у воді, майже не занурюючись, а в льодяного айсберга над поверхнею води знаходиться лише 0,1 частина його об’єму. Камінь, цеглина, залізні тіла тонуть у воді. Які умови повинні виконуватися, щоб тіло плавало чи тонуло?
Розглянемо тіло, повністю
Мал. 3.130
1. Fтяж = FА – рівнодійна сили тяжіння і сили Архімеда дорівнює 0. Тіло плаває всередині рідини: не спливає й не тоне (мал. 3.130, а). Урахувавши, що Fтяж = ртVтg, а FA = pрgVт, одержимо: рт = рр. Тіло плаває всередині рідини, якщо його густина дорівнює густині рідини.
Далі так само одержимо умови для випадків, коли
2. F тяж > FА – рівнодійна сили тяжіння і сили Архімеда направлена униз; рт > рр. Тіло тоне, якщо його густина більша, ніж густина рідини (мал. 3.130, б).
3. Fтяж < FА – рівнодійна сили тяжіння і сили Архімеда направлена угору; рт < рр. Тіло спливає, піднімається до поверхні рідини, якщо його густина менша за густину рідини (мал. 3.130, в).
Ці три випадки й визначають умови плавання тіл.
Що відбуватиметься після того, як тіло, що спливає, досягне поверхні рідини? Наскільки воно підніметься над поверхнею? Тіло спливатиме доти, поки сила тяжіння не стане такою, що дорівнює силі Архімеда. Піднімаючись над поверхнею, воно витискатиме дедалі менший об’єм рідини і настане такий момент, коли значення цих сил зрівняються (мал. 3.130, г).
Якщо тіло плаває на поверхні, сила Архімеда дорівнює силі тяжіння. При цьому чим менша густина тіла, тим менше воно занурене у рідину і тим менша потрібна сила Архімеда, щоб його утримувати на поверхні рідини(мал. 3.130, г).
Дерев’яний брусок спливає на поверхню води – густина дерева менша за густину води, а цеглина тоне – густина цегли більша за густину води. А от на поверхні ртуті плаватимуть не лише дерево й камінчик, а й навіть сталеві гирі: густина ртуті більша за густину сталі.
Те, що залежно від густини рідини тіло, яке плаває, по-різному заглиблюється в рідину, використовують у приладах для вимірювання густини рідин – ареометрах (від грец. araiys – рідкий, metreo – вимірюю).
Найчастіше, ареометри – це скляні запаяні колби у вигляді поплавця, в нижній частині яких знаходиться тягар (свинцевий дріб), а у верхній, вузькій – вставлено шкалу (мал. 3.131). Оскільки густина рідин залежить від температури, деякі ареометри у нижній частині мають термометри. Залежно від призначення ареометри поділяють на лактометри (для визначення жирності молока), спиртометри (для вимірювання процентного вмісту спирту в рідині) та ін. Результат вимірювання густини зчитують за шкалою ареометра так, як показано на мал. 3.132.
Мал. 3.131
Мал. 3.132
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. За яких умов тіло в рідині тоне, спливає, плаває?
2. Чому дорівнює виштовхувальна сила, яка діє на тіло, що плаває на поверхні рідини?
3. Як залежить глибина занурення в рідину тіла, що плаває, від його густини?
4. Як залежить виштовхувальна сила, що діє на тіло у рідині, від об’єму його зануреної частини?
5. У посудину налито три рідини, які не змішуються між собою: вода, гас і ртуть. У якій послідовності вони розмістяться в посудині, починаючи від дна?
Мал. 3.133
Мал. 3.134
6. Яйце тоне у прісній воді, але плаває в солоній. Поясніть чому?
7. На мал. 3.133 зображено поплавець, який можна використовувати як терези. Поясніть, як діють такі терези.
8. Стальний брусок, вага якого у повітрі дорівнює 15,6 Н, занурили у воду (мал. 3.134). Визначте значення і напрямок сили натягу пружини.
9. Пробірку помістили в мензурку з водою. Рівень води при цьому підвищився від поділки 100 до 120 см3. Скільки важить пробірка, яка плаває у воді?
10. Яку масу води витискає дерев’яний брус довжиною 3 м, шириною 30 см і висотою 20 см, який плаває? (Густина дерева 600 кг/м3.)
11. Візьміть невелику картоплину, щоб вона вільно входила у склянку. Наберіть у склянку чисту теплу воду. Опустіть у воду картоплину – вона тоне. Отже, густина картоплини перевищує густину чистої води. Насипте в склянку дві столові ложки кухонної солі і старанно розмішайте, щоб сіль розчинилася. Картоплина спливе так, що частина її підніметься над водою. Який висновок можна зробити з цього досліду? Для з’ясування, як змінюється густина розчину солі, скористайтеся ареометром. Потроху доливаючи в склянку чисту воду, доможіться, щоб картоплина плавала нижче від рівня води (всередині рідини). Яка умова плавання тіл виконується у цьому випадку?
12. Виготовте модель ареометра. Візьміть виписаний стрижень кулькової ручки і перевірте, чи плаває він вертикально у воді. Якщо стрижень тоне, підберіть інший, більшої довжини чи більшого діаметра. Якщо стрижень не набуває вертикального положення, наліпіть на його кінчик пластилінову кульку. Відмітьте на ньому рівень занурення у воду (густина води 1000 кг/м3). Ваш ареометр готовий. Тепер ви можете визначати, які рідини мають густину більшу за 1000 кг/м3, а які – меншу. Помістіть ваш ареометр у розчин солі чи іншої рідини. Якщо у вас є рідина з відомою густиною (гас, олія), ви можете проградуювати свій ареометр.
Густина людського тіла приблизно дорівнює густині води. Тому людина у воді перебуває ніби в стані невагомості. Люди, які вміють правильно організувати своє дихання, можуть вільно лежати на воді. Адже вдихнувши повітря, вони збільшують об’єм свого тіла й спливають над водою.
Мал. 3.135
На нашій планеті існують водойми, в яких людина потонути взагалі не може (мал. 3.135). У воді цих водойм великий вміст солей і, відповідно, густина рідини більша за густину прісної води і густину тіла людини. Найбільш відомою солоною водоймою у світі є Мертве море – велике озеро між Ізраїлем і Йорданією. Густина його води становить 1190 кг/м3.
Подібні водойми є й в Україні. Це, зокрема, відомий своїми лікувальними властивостями лиман Куяльник біля Одеси.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 10
З’ясування умов плавання тіла
Завдання. Встановити експериментально за яких умов тіло тоне, сплаває до поверхні, плаває.
Прилади і матеріали: мензурка з водою або мірний циліндр; поплавець (пробірка з корком або інша невелика ємність, що щільно закривається); важільні терези з набором різноваг; сухий пісок; фільтрувальний папір; дротяний гачок (петля).
Підготовка до проведення експерименту
1. Пригадайте. Яку силу називають силою Архімеда? Як можна визначити силу Архімеда, коли відомий об’єм тіла, або частини тіла, зануреного в рідину, та густина рідини? Як можна визначити вагу тіла, використавши важільні терези? Які основні правила зважування на важільних терезах?
2. Урівноважте терези.
3. Підготуйте таблицю для занесення результатів вимірювань і розрахунків, яка може мати такий вигляд:
Номер досліду | Об’єм витиснутої поплавцем води V, л(cм3) | Маса поплавця m, г | Cила тяжіння, яка діє на поплавецьFтяж, H | Cила Архімеда FА, H | Поведінка поплавця у воді (плаває, тоне, спливає) |
1 | |||||
2 | |||||
3 |
Проведення експерименту
1. Насипте у пробірку піску трохи менше ніж до половини. Щільно закрийте її корком.
2. Виміряйте масу пробірки та визначте силу тяжіння, яка діє на неї.
3. Обережно опустіть пробірку-поплавець у мензурку з водою. Відмітьте результат спостереження за її поведінкою у воді.
4. Визначте об’єм витиснутої пробіркою води та значення сили Архімеда, яка діє на неї.
5. Витягніть пробірку, підчепивши її гачком, з води. Залишки води на пробірці висушіть фільтрувальним папером.
6. Повторіть дослід кілька разів, відсипаючи з пробірки потроху піску (поки пробірка не буде плавати занурившись приблизно до половини). Щоразу відмічайте результат її поведінки у воді та визначайте значення сили Архімеда і сили тяжіння, які діють на неї.
7. Запишіть загальний висновок щодо умов плавання тіла.
Цю лабораторну роботу можна виконати і без використання піску. Замість піску пробірку чи інший скляний поплавець можна заповнювати тією ж водою. Увесь інший порядок проведення дослідів залишається той самий.
Цей цікавий дослід відомий вже майже 300 років. Його приписують французькому вченому Рене Декарту (на латинській мові його прізвище Картезій). На базі цього досліду було створено іграшку – картезіанський водолаз. Ви можете легко її виготовити за кілька хвилин. Візьміть піпетку і прозору пластикову пляшку з кришкою.
Налийте у пляшку воду майже до самого горличка. Наберіть у піпетку таку кількість води, щоб вона плавала, а верх її гумового ковпачка лише на 1-3 мм виступав над поверхнею води. Опустіть піпетку у пляшку і загвинтіть кришку. Ваш водолаз готовий. Стисніть пляшку рукою і піпетка-водолаз почне опускатися на дно пляшки (мал. 3.136). Послабте тиск на пляшку і піпетка спливе на поверхню. Можете одягнути на піпетку “водолазний костюм”. Поясніть дослід. Для цього вам необхідно пригадати закон Паскаля і умови плавання тіл.
Мал. 3.136
І сьогодні ще дехто вважає, що повітряний міхур потрібен рибі, щоб занурюватися і спливати. Проте давно доведено, що риба
Не може за своїм бажанням роздувати чи стискати міхур. Зміна його об’єму відбувається пасивно, під дією зовнішнього тиску води. Міхур лише допомагає рибі в нерухомому стані зберігати рівновагу, але ця рівновага нестійка. Зміни об’єму міхура для риби не лише не корисні, а й шкідливі, оскільки можуть зумовлювати або швидке падіння на дно, або підняття на поверхню.
Те, що пасивна зміна об’єму міхура риб внаслідок зміни тиску води з глибиною дійсно має місце, підтверджується наступним дослідом. Рибку в приспаному стані (під наркозом) помістили в закриту посудину з водою(мал. 3.137), в якій підтримувався достатній тиск, близький до тиску на глибині в природній водоймі. На поверхні води рибка лежить черевцем догори. Коли її занурити трохи глибше, вона знову спливе на поверхню. Якщо її занурити ближче до дна, то рибка опуститься на дно. Але існує такий шар води, де рибка залишається в рівновазі – не тоне й не спливає.
Мал. 3.137
(2 votes, average: 4,50 out of 5)