Куб с длиной ребра 20 см плавает в воде чему равна выталкивающая сила
Обновлено: 18.09.2024
Легко смириться с фактом, что небольшая деревянная лодка выдерживает вес пары взрослых мужчин с рыбацким снаряжением. Понять, как не тонут многотонные металлические боевые корабли и танкеры с контейнерами, человеческому мозгу сложно. Это до момента, пока у ребёнка нет знаний физических законов, объясняющих на чем основано плавание судов. Разберёмся, за счёт каких сил и явлений тяжёлые на первый взгляд предметы не тонут в жидкости, а масло всегда держится на поверхности воды.
Закон Архимеда
- Определить, сделана корона царя из чистого золота или с примесями иных металлов.
- Доказать, что ювелир сжульничал, добавив в расплавленное серебро примесей.
Уже тогда была известна формула вычисления объёма тел при известных массе и плотности. С весами проблемы не было, а определить объём сложного украшения крайне сложно, не переплавив его в слиток.
Инженер сделал открытие, носящее название закон Архимеда: погруженное в жидкость либо газ, тело выталкивается с силой, равной массе вытесненного телом жидкого или газообразного вещества. Эта выталкивающая сила называется гидростатической либо архимедовой. Действует она только в условиях гравитации, в невесомости – нет.
Если помещённое в жидкость тело плавает, значит значение выталкивающей силы по модулю больше гравитации.
Плавучесть судна
Плавание судов и воздухоплавание объясняются законом Архимеда. В покое давление в жидкости объясняется ударами перемещающихся молекул одна о другую. При погружении предмет вытесняет часть жидкости. Молекулы будут ударяться о предмет. Если боковые силы уравновешиваются, то оказываемое снизу давление выталкивает тело наверх. И с ростом глубины сила Архимеда растёт – чем глубже предмет, тем сильнее выталкивающая его сила.
Почему стальные судна, в разы плотнее воды, не тонут в ней? Количество вытесняемой ими жидкости равняется объёму находящегося в жидкости металла (корпуса) и воздуха, который содержится в нём. Сталь плотнее воды всего в 7,8 раз, а воздух – реже неё приблизительно в 770 раз. Фактическая плотность погруженного в воду корабля в разы меньше, чем воды, поэтому жидкость выталкивает его наверх.
То же касается полётов на воздушном шаре: в нём используется более лёгкий или менее плотный за воздух гелий: 1,29 кг/м 3 против 0,179 кг/м 3 .
Что такое масса воды, вытесняемая плавающим судном
Осадкой судна называют глубину его погружения в воду, максимальное значение обозначается ватерлинией – обычно красной линией.
Водоизмещение – масса воды, вытесняемой погруженной частью плавающего судна. Она весит столько, сколько корабль, независимо от габаритов. Водоизмещение оказывает влияние на загруженность судна, на дальности плавания судна не сказывается.
Почему одни вещества тонут в воде, а другие нет? И почему есть так мало веществ, способных плавать в воздухе (т. е. летать, см. статью «Полёт«)? Понимание законов плавучести (и погружения) позволяет инженерам строить корабли из металлов, которые тяжелее воды, и конструировать дирижабли и воздушные шары, способные плавать в воздухе. В спасательный жилет накачивают воздух, поэтому он помогает человеку держаться на воде.
Почему предметы плавают
Если погрузить тело в воду, оно вытеснит некоторое количество воды. Тело занимает место, где раньше была вода, и уровень поды поднимается. Если верить легенде, древнегреческий ученый Архимед (287 — 212 до н.э.), находясь в ванне, догадался, что погруженное тело вытесняет равный объем воды. На средневековой гравюре изображен Архимед, совершивший свое открытие. Сила, с которой вода выталкивает погруженное и нее тело, называется силой выталкивания. Когда она равна весу тела, тело плавает и не тонет. Тогда вес тела равен весу вытесненной им воды. Пластмассовый утёнок очень лёгкий, поэтому достаточно небольшой силы выталкивания, чтобы удержать его на поверхности. Сила, направленная вниз (вес тела) зависит от плотности тела. Плотность представляет собой отношение массы тела к его объему. Стальной шар тяжелее яблока того же размера, так как он плотнее. Частицы вещества в шаре упакованы более плотно. Яблоко может плавать в воде, но стальной шар тонет.
Чтобы тело не тонуло, его плотность должна быть меньше плотности воды. В противном случае силы выталкивания воды недостаточно, чтобы удержать тело на поверхности. Относительной плотностью тела называется его плотность по отношению к плотности воды. Относительная плотность воды равна единице, значит, если относительная плотность тела больше 1, оно утонет, а если меньше — будет плавать.
Закон Архимеда
Закон Архимеда гласит, что сила выталкивания равна весу жидкости, вытесненной погруженным в неё телом. Если сила выталкивания меньше веса тела, то оно тонет, если она равна весу тела, оно плавает.
Как плавают корабли
Если хотите увидеть, как действует сила выталкивания, бросьте в сосуд с водой глиняный шарик. Он утонет, и уровень воды поднимется. Отметьте фломастером новый уровень воды. Теперь слепите из этой же глина лодочку и осторожно опустите её на воду. Как видите, вода поднялась ещё выше. Лодочка вытесняет больше воды, чем шарик, а значит, и сила выталкивания больше.
Грузовые марки
Грузовые марки — это линии, начерченные на борту судна. Они показывают, сколько груза судно может выдержать тех или иных условиях. Так, поскольку холодная вода плотнее теплой, она выталкивает судно сильнее. Значит, судно может взять па борт больше груза. Солёная вода плотнее пресной, следовательно, в пресной воде судно следует меньше нагружать. Изобрел грузовые марки Сэмюэл Плимсолл (1824-1898). Когда судно погружается в воду до соответствующей линии (см. рис.), оно считается полностью нагруженным. Значение буквенных символов: TF – пресная вода тропики, SF – пресная вода летом, T – солёная вода тропики, S – солёная вода летом, W – солёная вода зимой, WNA – Сев. Атлантика зимой.
Воздухоплавание
Тела могут летать по тем же причинам, по каким они плавают в воде. На них действует сила выталкивания воздуха. Плотность воздуха так мала, что в нем могут плавать очень немногие тела. Это, например, баллоны с горячим воздухом, который менее плотен, чем холодный. Воздушные шары можно также наполнить гелием или другими газами, которые легче воздуха.
Суда и лодки
Подводные лодки
Подводные лодки погружаются и всплывают, изменяя свою относительную плотность. У них на борту есть большие контейнеры – балластные резервуары. Когда из них уходит воздух и внутрь закачивается вода, плотность лодки увеличивается и она погружается. Чтобы всплыть на поверхность, экипаж удаляет из резервуаров воду и накачивает туда воздух. Плотность вновь уменьшается и лодка всплывает. Балластные резервуары помещаются между внешним корпусом и стенками внутреннего отсека. Экипаж живёт и работает во внутреннем отсеке. Подводная лодка оснащена мощными винтами, которые позволяют ей двигаться сквозь толщу воды. На некоторых лодках установлены атомные реакторы (см. статью «Ядерная энергия и радиоактивность«).
Измерения. Механическое движение. Скорость.
Контрольная работа № 1.
1 . Какие физические явления характерны для зимы?
2 . Чтобы найти диаметр проволоки, ученик намотал вплотную на карандаш 30 витков, которые заняли часть карандаша длиной 3 см. Определите диаметр проволоки.
3 . Кабина лифта опустилась с 11 этажа здания на 5, а затем поднялась на 8 этаж. Считая, что расстояния между этажами равны по 4 метра, определите путь и перемещение кабины. Сделать пояснительный рисунок.
4 . Лиса гонится за зайцем, пробегая за 1 мин 0,9 км. Заяц, убегая от лисы, преодолевает за каждый час такого бега 64,8 км. Догонит ли лиса зайца?
5 . Велосипедист 12 с двигался со скоростью 6 м/с, а второй проехал этот же участок пути за 9 с. Во сколько раз отличаются их средние скорости?
Средняя скорость. Масса. Плотность. Явление инерции.
Контрольная работа № 2.
1 . Средняя скорость движения автомобиля 20 м/с. Определите расстояние, которое пройдет автомобиль за время равное 1 мин.
2 . За какое время плот на реке пройдет расстояние 150 м/с, если скорость течения 0,5 м/с.
3 . Какую массу имеет кубик из дерева с ребром 10 см, если плотность дерева 400 кг/м 3 ?
4 . Масса канистры, заполненной бензином, равна 24 кг, масса этой канистры заполненной водой равна 29 кг. Какова масса пустой канистры?
5 . Почему капли дождя слетают с одежды при ее встряхивании?
Масса. Вес. Сила тяжести. Равнодействующая сила.
Контрольная работа № 3.
1 . Бак для керосина имеет длину 40 см, ширину 25 см и высоту 60 см. Определите массу керосина, если бак наполнен им до половины. r = 800 кг/м 3 .
2 . Сколько весит кубик из свинца, ребро которого 10 см? r = 11300 кг/м 3 .
3 . Равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой в одну и туже сторону, равна 600 Н. Одна из сил равна 350 Н. Определите графически величину второй силы.
4 . Как с помощью весов определить вес одной капли?
Давление. Давление жидкостей. Сила Архимеда.
Контрольная работа № 4.
1 . Токарный станок массой 300 кг опирается четырьмя ножками на фундамент. Определите давление станка на фундамент, если площадь одной ножки равна 50 см 2 .
2 . В сообщающихся сосудах находится ртуть. В одно колено налили воду высотой 60 см. Определить разницу уровней ртути в сосудах.
3 . Если воду в океане заменить ртутью, то какова при этом будет его глубина. Средняя глубина водного океана 5 км.
4 . Какую силу нужно приложить к камню объемом 0,5 м 3 и плотностью 2500 кг/м 3 , чтобы удержать его в воде?
Работа. Мощность. Энергия. КПД простых механизмов.
Контрольная работа № 5.
1 . Подъемный кран поднял груз на высоту 15 м за 40 c , развивая при этом мощность 2 кВт. Найдите вес груза.
2 . Человек поднялся с шестого этажа на девятый, совершив работу 5000 Дж. Какова масса человека, если расстояние между этажами 3,2 м?
3 . Автомобиль равномерно поднимается в гору. Как изменяются его потенциальная и кинетическая энергия?
22. Используя каретку (брусок) с крючком, динамометр, набор из трёх грузов, направляющую рейку, соберите экспериментальную установку для исследования зависимости силы трения скольжения между кареткой и поверхностью горизонтальной рейки от силы нормального давления.
Определите силу трения скольжения, помещая на каретку поочерёдно один, два и три груза. Для определения веса каретки с грузами воспользуйтесь динамометром.
Характеристика оборудования
При выполнении задания используется комплект оборудования № 4 в следующем составе:
- каретка массой 100±2 г;
- три груза массой по 100±2 г;
- динамометр школьный с пределом измерения 4 Н (погрешность 0,1 Н);
- направляющая рейка.
Внимание! При замене какого-либо элемента оборудования на аналогичное с другими характеристиками необходимо внести соответствующие изменения в образец выполнения задания.
23. Две одинаковые лодки движутся равномерно по озеру параллельными курсами навстречу друг другу с одинаковыми по модулю скоростями. Трение лодок о воду пренебрежимо мало. Когда лодки поравнялись, с первой лодки на вторую переложили груз, осторожно выпустив его из рук. Масса груза меньше массы лодки. Изменилась ли при этом скорость второй лодки (если
изменилась, то как)? Ответ поясните. (Решение)
24. Пуля массой 9 г, движущаяся со скоростью 800 м/с, пробила доску и вылетела из доски со скоростью 200 м/с. Определите толщину доски, если средняя сила сопротивления, воздействующая на пулю в доске, равна 108 кН. (Решение)
25. Электровоз движется с постоянной скоростью и ведёт состав массой 1800 т. Сила тока, потребляемая электровозом из сети напряжением 3000 В, равна 750 А. Коэффициент трения равен 0,005. КПД двигателя электровоза 80%. Определите скорость движения электровоза. (Решение)
Опыты Птолемея по преломлению света.
19. В спокойной атмосфере наблюдают положение звёзд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли в той точке, где находится наблюдатель. Каково видимое положение звёзд – выше или ниже их действительного положения относительно горизонта? Ответ поясните.
(Решение)
24. Используя собирающую линзу, экран, линейку, соберите экспериментальную установку для определения оптической силы линзы. В качестве источника света используйте свет от удалённого окна.
25. Заянную с одного коапнца трубку опускают открытым концом в воду на половину длины трубки (см. рисунок). Что произойдёт с уровнем воды в трубке после того, как атмосферное давление увеличится? Ответ поясните.
(Решение)
26. Сплошной кубик с ребром 10 см плавает на границе раздела воды и керосина, погружаясь в воду на 2 см (см. рисунок). Свободная поверхность керосина располагается выше, чем верхняя поверхность кубика. Определите плотность вещества, из которого изготовлен кубик.
(Решение)
27. В электропечи мощностью 100 кВт нагрели и полностью расплавили слиток стали массой 1 т. Сколько времени потребовалось для этого, если известно, что до начала плавления сталь необходимо было нагреть на 1500 °С? Потерями энергии пренебречь. (Решение)
23. Используя штатив с муфтой и лапкой, пружину, динамометр, линейку и 2 груза, соберите экспериментальную установку для определения жесткости пружины. Определите жесткость пружины, подвесив к ней два груза. Для определения веса грузов воспользуйтесь динамометром.
24. Дима рассматривает красные розы через зеленое стекло. Какого цвета будут казаться ему розы? Объясните наблюдаемое явление. (Решение)
25. Пуля массой 50 г вылетает из ствола ружья вертикально вверх со скоростью 40 м/с. Чему равна потенциальная энергия пули через 4 с после начала движения? Сопротивлением воздуха пренебречь. (Решение)
26. Воду массой 900 г налили в стакан и стали нагревать на электрической плитке мощностью 300 Вт. При этом экспериментально исследовали зависимость температуры воды от времени нагревания (см. рисунок). Определите КПД данного процесса, считая полезной энергию, идущую на нагревание воды.
(Решение)
Читайте также: