Физика · конспекты
★0
Физика › 7 класс › Давление твёрдых тел, жидкостей и газов

Тема 41Плавание тел

★★★
Термины темы — найди их в тексте:сила тяжестиархимедова силатонетплаваетвсплываетплотностиглубжепустойВатерлинияВодоизмещениелегче воздуха

На погружённое тело действуют две силы: сила тяжести вниз и архимедова сила вверх. От того, какая больше, зависит, утонет тело или нет.

Тело тонет, плавает внутри жидкости или всплывает
Тело тонет, плавает внутри жидкости или всплывает Иллюстрация: light-fizika.ru
Условия плавания тел
  • Fтяж>FАF_{\text{тяж}}>F_\text{А} — тело тонет;
  • Fтяж=FАF_{\text{тяж}}=F_\text{А} — тело плавает внутри жидкости;
  • Fтяж<FАF_{\text{тяж}}<F_\text{А} — тело всплывает до тех пор, пока архимедова сила не сравняется с силой тяжести.

То же можно сказать через плотности:

Сравнение плотностейЧто происходит
ρт>ρж\rho_\text{т}>\rho_\text{ж}тело тонет
ρт=ρж\rho_\text{т}=\rho_\text{ж}плавает внутри жидкости
ρт<ρж\rho_\text{т}<\rho_\text{ж}всплывает и плавает на поверхности
Пробка, дуб и лёд в воде. Тела разной плотности в разных жидкостяхПробка, дуб и лёд в воде. Тела разной плотности в разных жидкостях
Пробка, дуб и лёд в воде. Тела разной плотности в разных жидкостях Иллюстрация: light-fizika.ru

Чем больше плотность тела (но меньше плотности жидкости), тем глубже оно погружается. Объём вытесненной жидкости равен объёму погружённой части тела.

Вес вытесненной воды

Плавающее тело опустили в отливной сосуд. Вес вылившейся воды оказался равен весу тела в воздухе.

Плавающее тело вытесняет воду, вес которой равен весу самого телаПлавающее тело вытесняет воду, вес которой равен весу самого тела
Плавающее тело вытесняет воду, вес которой равен весу самого тела Иллюстрация: light-fizika.ru

Плавание судов

Почему плавают стальные корабли, ведь сталь в 8 раз плотнее воды? Корпус корабля пустой внутри, и в среднем плотность корабля с воздухом внутри меньше плотности воды. Он погружается настолько, чтобы вес вытесненной воды сравнялся с весом корабля.

Большой корабль. Чем больше груз, тем глубже осадка — до ватерлинииБольшой корабль. Чем больше груз, тем глубже осадка — до ватерлинии
Большой корабль. Чем больше груз, тем глубже осадка — до ватерлинии Иллюстрация: light-fizika.ru

Ватерлиния — линия, до которой судно погружается с полным грузом. Водоизмещение — вес воды, вытесняемой судном по ватерлинию; он равен весу судна с грузом.

Почему так?

Почему у айсберга над водой видна лишь «верхушка»? Плотность льда 900 кг/м³, морской воды — около 1030 кг/м³. Под водой — примерно 9/10 айсберга!

Айсберг: большая часть скрыта под водой
Айсберг: большая часть скрыта под водой Иллюстрация: light-fizika.ru

Воздухоплавание

Воздушный шар поднимается, если архимедова сила в воздухе больше силы тяжести шара. Поэтому шары наполняют газом, который легче воздуха: гелием или горячим воздухом.

Летательные аппараты легче воздуха. Когда воздушный шар поднимается, а когда опускаетсяЛетательные аппараты легче воздуха. Когда воздушный шар поднимается, а когда опускается
Летательные аппараты легче воздуха. Когда воздушный шар поднимается, а когда опускается Иллюстрация: light-fizika.ru
Образ для запоминания

Плавание — «спор двух сил»: тянет вниз Земля (тяжесть), вверх — вода (Архимед). Кто плотнее — тот и «побеждает»: тело плотнее воды — тонет, легче — плавает.

⚗ Мини-опыт

Опускайте в воду тела из разных веществ. Какие тонут, какие всплывают? Какая часть плавающего тела под водой? Поменяйте жидкость на ртуть.

▶ Симуляция PhET

Выбирайте предметы разной плотности и опускайте их в жидкости. Предскажите заранее, утонет предмет или всплывёт.

Плавучесть: основыОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Когда тело тонет?
Тогда сила тяжести больше архимедовой.
2Какая сила равна весу плавающего на поверхности тела?
Силы уравновешены.
3Почему стальной корабль не тонет?
Корпус вытесняет много воды.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Утонет ли в воде кусок парафина (ρ=900\rho=900 кг/м³)?

    Ответ

    Нет, его плотность меньше плотности воды — он плавает.

    Как получилось?

  2. Утонет ли железный гвоздь в ртути (ρ=13 600\rho=13\,600 кг/м³)?

    Ответ

    Нет: плотность железа 7800 кг/м³ меньше плотности ртути.

    Как получилось?

  3. Что такое ватерлиния?

    Ответ

    Линия, до которой судно погружается при полной загрузке.

    Как получилось?

  4. Чем наполняют воздушные шары и почему?

    Ответ

    Гелием или горячим воздухом — они легче окружающего воздуха.

    Как получилось?

  5. Какая часть льдины (ρ=900\rho=900 кг/м³) погружена в пресную воду?

    Ответ

    9001000=0,9\dfrac{900}{1000}=0{,}9 — девять десятых.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Плавающая доска вытесняет 0,02 м³ воды. Найдите вес доски.

    Ответ

    P=FА=1000⋅10⋅0,02=200P=F_\text{А}=1000\cdot10\cdot0{,}02=200 Н.

    Как получилось?

  2. Водоизмещение судна 50 000 кН, а вес самого судна 20 000 кН. Какой груз оно может принять?

    Ответ

    50 000−20 000=30 00050\,000-20\,000=30\,000 кН.

    Как получилось?

  3. Почему подводная лодка может и всплывать, и погружаться?

    Ответ

    Она набирает воду в балластные цистерны (средняя плотность растёт — погружается) или вытесняет её сжатым воздухом (плотность уменьшается — всплывает).

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Условия плавания
Тело плотнее жидкости — тонет; плотности равны — плавает внутри; легче — всплывает.
Плавающее тело
Архимедова сила равна силе тяжести тела.
Водоизмещение
Вес воды, вытесняемой судном; равен весу судна с грузом.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.