Сила Архимеда и центр величины

Судно держится на плаву благодаря равновесному действию двух сил — силы тяжести, которая стремится опустить его на дно, и силы Архимеда, которая выталкивает его из воды. И если с силой тяжести все более менее понятно, то силу Архимеда рассмотрим подробнее.

Сила Архимеда

Согласно закону Архимеда, чтобы судно находилось на плаву, объем вытесненной воды должен иметь тот же вес, что и вес судна. Что это значит?

Попробуем объяснить эмпирически, без формул.

Начнем с самого простого – вода обладает текучестью, а значит если попытаться убрать какой-либо объем, то окружающая вода попытается под действием сил тяжести его сразу запомнить. Если низкая вязкость воды не позволяет это увидеть быстро, то если быстро зачерпнуть ложкой густой клей, кисель или краску, видно будет, как со всех сторон — с боков и снизу – образующаяся пустота начнем заполняться жидкостью. Иыми словами, «стенки» вокруг освободившегося объема под силой тяжести начнут «осыпаться» в пустоту. Все это и есть демонстрация силы Архимеда — то есть силы выталкивания , вызванной стремлением жидкости распределиться равномерно в заданном объеме.

Поскольку в нашем эксперименте высвободившийся объем был заполнен воздухом, а значит имел намного меньшую плотность, по сравнению с водой, то силы выталкивания воды были намного больше, а значит воздух и высвобождался водой.

Если же опустить в воду сплошной объект с плотнстью большей плотности воды — например чайную ложку в стакан, то силы Архимеда будут заметно слабее этой силы тяжести, и поэтому объект будет опускаться на дно, а уровень воды повысится из-за выталкивания объектом воды.

То есть если плотность воды выше плотности объекта — выталкивается объект, а если плотность объекта выше — выталкивается вода.

Разумеется, под плотностью объекты мы подразумеваем не плотность его стенок, а плотность всего его объема, вместе с воздухом. Именно поэтому железные корабли держатся наплаву, т.к. суммарная плотность с пустотами больше.

Это были случаи с сильно отличающейся плотностью воды и объекта. Теперь рассмотрим, что происходит, когда плотности близки. Из примеров выше становится понятно, что если объект по плотности равен плотности воды, то он не выталкивается и не тонет — по сути, он полностью погружен водой, но не опускается на дно, хотя незначительное воздействие на него может заставить его опускаться вниз. Типичный пример — плотный прозрачный лед, обладающий при определенных условиях плотностью, практически равной плотности воды, и незаметно плавающий в стакане.

Мы не будем рассматривать ситуацию, когда из-за плотности объект чуть тяжелее воды и зависает между дном и поверхностью — подводные лодки нас не интересуют. Поэтому сразу рассмотрим ситуацию, когда объект обладает плотностью, незначительно меньшей.

В таком случае вода вытесняет объект до тех пор, пока «хватает сил», точнее пока силы Архимеда как раз и не вытолкнут достаточно объекта наружу и не сбалансируются силой тяжести объекта. Это и есть закон Архимеда – баланс достигается, когда вес вытесненной объектом жидкости равен весу объекта. И чем легче объект при одном и том же объеме — тем выше он выталкивается силами.

Центр величины

Как упоминалось выше в эксперименте про клей или кисель, видно, что выталкивающие силы действуют со всех сторон на высвободившийся объем, то есть по всей его поверхности — а значит действуют и со всех сторон на поверхность любого погружённого объекта. Чтобы получить равнодействующую силу, нужно сложить все эти составляющие силы, и приложить ее к определенной точке вытесненного объема. Эта точка и называется центром величины. Располагается центр величины в центре масс — или центре тяжести — вытесненного объема жидкости.