Коротко
Выталкивающая сила — это сила, с которой жидкость или газ выталкивают погруженное в них тело вверх. Благодаря этой силе корабли держатся на воде, воздушные шары летают, а мы можем плавать в бассейне. Её также называют архимедовой силой, в честь древнегреческого учёного Архимеда, который первым открыл и объяснил это явление. Эта сила всегда направлена против силы тяжести и стремится вытолкнуть предмет из жидкости или газа.
Определение
Выталкивающая сила — это сила, действующая на тело, погруженное в жидкость или газ, со стороны этой жидкости или газа, и направленная вертикально вверх.
Формула
F_А = ρ · g · V
- F_А — выталкивающая сила (сила Архимеда)
- ρ — плотность жидкости или газа, в который погружено тело
- g — ускорение свободного падения (примерно 9,8 Н/кг или 9,8 м/с²)
- V — объём погруженной части тела
Единицы измерения: ньютон (Н)
Откуда берётся выталкивающая сила
Представьте, что вы опускаете предмет в воду. Вода давит на все его поверхности: сверху, снизу, сбоку. Но давление воды увеличивается с глубиной. Поэтому на нижнюю часть предмета вода давит сильнее, чем на верхнюю. Разница этих давлений и создаёт направленную вверх силу, которая старается вытолкнуть предмет из воды. Эта сила и есть выталкивающая. Чем глубже погружена часть тела, тем больше жидкости или газа оно вытесняет, и тем больше выталкивающая сила.
Что влияет на выталкивающую силу
Выталкивающая сила зависит от трёх главных вещей. Во-первых, от плотности жидкости или газа: чем плотнее среда, тем сильнее она выталкивает. Например, в морской воде плавать легче, чем в пресной, потому что морская вода плотнее. Во-вторых, от объёма погруженной части тела: чем больше часть тела находится в жидкости, тем больше выталкивающая сила. И в-третьих, от ускорения свободного падения, которое показывает, насколько сильно Земля притягивает предметы. На Луне, где притяжение слабее, выталкивающая сила будет меньше.
Почему одни тела тонут, а другие плавают
Судьба тела в жидкости зависит от соотношения двух сил: выталкивающей силы, которая толкает вверх, и силы тяжести, которая тянет вниз. Если выталкивающая сила больше силы тяжести, тело всплывает. Если выталкивающая сила меньше силы тяжести, тело тонет. Если эти силы равны, тело плавает внутри жидкости, не опускаясь и не всплывая. Именно поэтому тяжёлый корабль не тонет: его форма позволяет вытеснить очень большой объём воды, создавая огромную выталкивающую силу.
Как найти и применять
- Определите плотность жидкости или газа (ρ), в которую погружено тело.
- Найдите объём части тела (V), которая погружена в эту жидкость или газ.
- Используйте значение ускорения свободного падения (g), обычно принимают 9,8 Н/кг.
- Перемножьте эти три величины: F_А = ρ · g · V.
- Полученный результат будет значением выталкивающей силы в ньютонах.
Разбор задач
Задача 1
Какая выталкивающая сила действует на полностью погруженный в воду кубик объёмом 0,001 м³? Плотность воды 1000 кг/м³.
1. Плотность воды (ρ) = 1000 кг/м³. 2. Объём кубика (V) = 0,001 м³. 3. Ускорение свободного падения (g) ≈ 9,8 Н/кг. 4. Вычисляем выталкивающую силу по формуле F_А = ρ · g · V = 1000 кг/м³ · 9,8 Н/кг · 0,001 м³ = 9,8 Н.
Ответ: Выталкивающая сила равна 9,8 Н.
Где это встречается
- Кораблестроение — Форма корпуса судна рассчитывается так, чтобы оно вытесняло достаточно воды для создания выталкивающей силы, равной весу корабля, позволяя ему плавать.
- Воздухоплавание — Воздушные шары и дирижабли поднимаются в воздух, потому что выталкивающая сила от вытесненного ими воздуха больше, чем их собственный вес.
- Подводные лодки — Они могут погружаться и всплывать, изменяя свой вес. Заполняя балластные цистерны водой, лодка становится тяжелее и тонет; вытесняя воду воздухом, лодка становится легче и всплывает, так как выталкивающая сила становится больше.
- Спасательные жилеты и круги — Эти предметы сделаны из материалов с низкой плотностью (например, пенопласта), которые вытесняют много воды по сравнению со своим весом, создавая большую выталкивающую силу, чтобы держать человека на поверхности.
Типичные ошибки
| Неверно | Верно | Почему |
|---|---|---|
| Выталкивающая сила зависит от массы тела. | Выталкивающая сила зависит от объёма погруженной части тела и плотности жидкости. | Часто путают с силой тяжести, которая зависит от массы. Выталкивающей силе важен объём, который тело занимает в жидкости, а не его масса. |
| Чем глубже погружено тело, тем больше выталкивающая сила. | Выталкивающая сила зависит от объёма ПОГРУЖЕННОЙ части тела и плотности жидкости. Если тело уже полностью погружено, глубина не влияет на силу. | На самом деле, пока тело погружается, выталкивающая сила растёт, потому что увеличивается погруженный объём. Но когда тело погружено полностью, дальнейшее увеличение глубины не меняет объём вытесненной жидкости, а значит, и выталкивающую силу. |
| Выталкивающая сила всегда выталкивает тело из воды. | Выталкивающая сила направлена вверх, но её величина может быть меньше силы тяжести, и тогда тело тонет. | Слово «выталкивающая» наводит на мысль, что она всегда побеждает. Но это не так. Она лишь пытается вытолкнуть, а тонет тело или нет, зависит от соотношения этой силы и силы тяжести. |
Не путать
- Сила тяжести — Сила тяжести тянет тело вниз, её величина зависит от массы тела и ускорения свободного падения. Выталкивающая сила толкает тело вверх, её величина зависит от объёма погруженной части тела, плотности среды и ускорения свободного падения.
- Вес тела — Вес тела — это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. Выталкивающая сила — это сила со стороны жидкости или газа, которая действует на тело, погруженное в них.
Откуда взялось понятие
Понятие выталкивающей силы и её закон были открыты древнегреческим учёным Архимедом в III веке до нашей эры. Существует легенда, что он сделал это открытие, принимая ванну.
Как запомнить
Выталкивающая сила всегда стремится вытолкнуть тебя из воды на поверхность.
Проверь себя
4 задания-
От чего зависит выталкивающая сила?
Ответ
От плотности жидкости (или газа), объёма погруженной части тела и ускорения свободного падения. -
Куда направлена выталкивающая сила?
Ответ
Всегда вертикально вверх. -
Будет ли выталкивающая сила одинаковой для одного и того же шарика в пресной и солёной воде?
Ответ
Нет, в солёной воде (более плотной) выталкивающая сила будет больше. -
Почему деревянный брусок плавает, а железный гвоздь тонет?
Ответ
Плотность дерева меньше плотности воды, поэтому выталкивающая сила для деревянного бруска больше его силы тяжести. Плотность железа больше плотности воды, поэтому выталкивающая сила для гвоздя меньше его силы тяжести.
Частые вопросы
Почему в море плавать легче, чем в реке?
Морская вода плотнее пресной из-за растворённой в ней соли. Чем плотнее жидкость, тем больше выталкивающая сила, действующая на тело. Поэтому морская вода выталкивает человека сильнее, и плавать в ней легче.
Почему камень, который трудно поднять на воздухе, легко поднять под водой?
Под водой на камень действует выталкивающая сила, направленная вверх. Эта сила уменьшает видимый вес камня, облегчая его подъём. На воздухе выталкивающая сила воздуха очень мала и почти незаметна.
Действует ли выталкивающая сила на человека, стоящего на Земле?
Да, на человека действует выталкивающая сила со стороны воздуха. Но плотность воздуха очень мала, поэтому эта сила ничтожно мала и мы её не замечаем. Она не способна поднять человека над землёй.
Может ли выталкивающая сила быть равной нулю?
Да, если тело не погружено в жидкость или газ, или если находится в вакууме. Если же тело хотя бы частично погружено в среду, то выталкивающая сила всегда будет действовать.
Спросить про это понятие
Выталкивающая сила
Где это изучается
6 параграфовОдна и та же тема разложена по разным учебникам — можно сравнить формулировки и выбрать более понятную.
Понятия рядом
Их разбирают в тех же параграфах, что и это понятие.