"Введение в естественно-научные предметы", Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С.
Плавание тела зависит от того, как его плотность соотносится с плотностью жидкости и какие силы действуют на тело. Жидкость выталкивает погружённый предмет вверх, а сила тяжести тянет его вниз. Сравнив эти силы и плотности, можно объяснить, почему камень опускается на дно, а деревянный брусок держится на воде. Это пригодится, чтобы проводить наблюдения в лабораторной работе и понимать, как плавают суда и работают поплавки. Тело может плавать не только на поверхности, но и внутри жидкости.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Плавание тела — состояние, при котором тело не тонет и находится на поверхности жидкости или внутри неё. Например, деревянный брусок плавает на поверхности, а рыба может удерживаться в толще воды. Значит, слово «плавает» не всегда означает, что предмет выступает над водой. Это понятие помогает описать результат опыта.
Выталкивающая сила — сила, с которой жидкость действует на погружённое в неё тело и направляет его вверх. Она возникает из-за давления жидкости на разные части тела: снизу давление больше, чем сверху. Сила связана с жидкостью, вытесненной телом: чем больше вытесненной жидкости, тем сильнее выталкивание. Её учитывают, объясняя, почему предмет не всегда опускается на дно.
Плотность тела — отношение его массы к объёму; её находят делением массы на объём: ρ = m / V. Плотность показывает, сколько массы приходится на определённый объём. Для объяснения плавания её сравнивают с плотностью жидкости, а не просто с массой другого предмета. Поэтому маленький тяжёлый предмет и большой лёгкий предмет могут вести себя по-разному.
Вес тела — сила, с которой тело из-за притяжения Земли действует на опору или подвес. В жидкости тело также испытывает силу тяжести вниз и выталкивающую силу вверх. Если выталкивание уравновешивает действие тяжести, тело не опускается дальше. Сопоставление этих сил помогает понять, что происходит с телом в опыте.
Когда тело погружают в жидкость, вода давит на него со всех сторон. Давление возрастает с глубиной: нижняя часть тела находится глубже верхней, поэтому снизу жидкость давит сильнее. Боковые действия в основном уравновешиваются, а разность давлений создаёт направленную вверх выталкивающую силу. Так объясняется, почему жидкость может поддерживать предмет, хотя он тяжелее воздуха.
На тело в жидкости действуют две главные силы: сила тяжести тянет его вниз, а выталкивающая сила направлена вверх. Если действие тяжести сильнее, тело опускается; если сильнее выталкивание, тело начинает подниматься. Когда силы уравновешены, тело не меняет своего положения: оно может покоиться внутри жидкости или плавать у поверхности. Поэтому одного знания о том, что предмет погружён, недостаточно, чтобы решить, утонет ли он.
Связь поведения тела с плотностями можно понять, сравнив одинаковые объёмы тела и жидкости. Более плотное тело имеет большую массу, а значит, сильнее тянется вниз, чем такая же по объёму вытесненная жидкость способна его поддержать. Поэтому оно тонет, если его плотность больше плотности жидкости. Если плотность тела меньше, выталкивание при погружении оказывается достаточным для подъёма тела.
При равенстве плотностей тело может оставаться в равновесии внутри жидкости. Вес и выталкивающая сила уравновешиваются, поэтому тело не стремится ни вверх, ни вниз. Если тело менее плотное и всплыло, часть его объёма остаётся над поверхностью. Оно погружается лишь настолько, чтобы вытесненная жидкость создала выталкивающую силу, равную действию тяжести.
В лабораторной работе наблюдают, как ведут себя разные тела в жидкости, и связывают результат с плотностью и силами. Сначала отмечают, тонет предмет, всплывает или остаётся в жидкости, затем сравнивают его плотность с плотностью жидкости, если данные известны. Наблюдение показывает поведение, а объяснение отвечает на вопрос, почему оно возникло. Для аккуратного вывода важно не путать видимую часть предмета с его полным объёмом.
| Сравнение плотностей | Сравнение сил | Поведение тела |
|---|---|---|
| Плотность тела больше плотности жидкости | Сила тяжести больше выталкивающей силы | Тело тонет |
| Плотность тела равна плотности жидкости | Сила тяжести равна выталкивающей силе | Тело может оставаться в равновесии внутри жидкости |
| Плотность тела меньше плотности жидкости | При полном погружении выталкивающая сила больше силы тяжести; у поверхности силы уравновешены | Тело всплывает и плавает на поверхности |
Пользуйся таблицей так: сначала сравни плотность тела и жидкости, а затем найди соответствующую строку. Сравнение сил помогает объяснить, почему тело ведёт себя именно так. Для плавающего на поверхности тела равновесие устанавливается, когда оно погружено на нужную часть объёма.
Задача 1. Опустить в воду небольшой предмет и описать, тонет он или плавает. Числовых данных здесь нет, поэтому нужно провести наблюдение, а не вычислять плотность. Важно записать, где находится предмет после того, как движение прекратилось. По этому наблюдению формулируют вывод о его поведении.
Ответ: результат зависит от предмета; в выводе укажите, тонет он, всплывает или находится в равновесии. Если предмет плавает на поверхности, это не означает, что он совсем не погружён. Наблюдение само по себе описывает результат, а сравнение плотностей объясняет его причину.
Задача 2. Тело плотностью 800 кг/м³ поместили в жидкость плотностью 1000 кг/м³. Определить, будет ли оно тонуть. Здесь обе плотности выражены в одинаковых единицах, поэтому их можно сравнить напрямую. Делить или переводить значения не нужно.
Ответ: тело не будет тонуть: оно всплывёт и сможет плавать на поверхности. При всплытии на него действуют силы вверх и вниз, а у поверхности они уравновешиваются. Именно поэтому тело останавливается, а не продолжает подниматься.
Задача 3. Тело объёмом 200 см³ имеет массу 240 г. Определить его поведение в воде, если плотность воды равна 1 г/см³. Масса и объём уже даны в удобных для такого сравнения единицах. Сначала найдём плотность тела, а затем сопоставим её с плотностью воды.
Ответ: тело будет тонуть, потому что его плотность больше плотности воды. Проверка единиц важна: если бы масса и объём были заданы в других единицах, их сначала пришлось бы согласовать. Здесь вычисление показывает причину поведения, а не только даёт название результата.
Ошибка — считать, что любое погружённое тело тонет. Так думают, потому что предмет уже оказался под водой, но положение в жидкости зависит от плотности и соотношения сил. Проверьте себя: наблюдайте, продолжает ли предмет опускаться, всплывает ли он или остановился внутри воды. Сам факт погружения ещё не даёт ответа.
Ошибка — направлять выталкивающую силу вниз или путать её с силой тяжести. Обе силы действуют на одно тело, но направлены противоположно: выталкивающая — вверх, сила тяжести — вниз. Такая путаница возникает, когда не изображают силы стрелками. Перед выводом проверьте направление каждой стрелки.
Ошибка — сравнивать только массы предметов. Масса не показывает, насколько плотно вещество занимает объём: большой предмет может быть тяжелее маленького, но иметь меньшую плотность. Для плавания нужна плотность, то есть масса, разделённая на объём. Проверка проста: найдите обе плотности или сравнивайте тела одинакового объёма.
Ошибка — считать, что плавающее тело совсем не погружено. Обычно часть предмета находится под водой, и именно вытесненная ею вода создаёт необходимую выталкивающую силу. Ошибка появляется, если слово «плавает» связывают только с нахождением сверху. Проверьте себя, посмотрев на границу воды: у плавающего предмета она часто проходит через его часть.
Чтобы разобраться в плавании тел, нужно знать массу, объём и плотность, а также уметь сравнивать величины. Плотность находят, разделив массу на объём, поэтому эти понятия помогают объяснить результаты опыта. Полезно также понимать, что сила может изменять движение тела и имеет направление. Позже эти знания пригодятся при изучении выталкивающей силы, плавания судов и поплавковых приборов.
Почему вода выталкивает погружённое тело?
Вода давит на тело со всех сторон. Давление снизу больше, чем сверху, поэтому появляется сила, направленная вверх. Она называется выталкивающей.
Какие силы действуют на тело в жидкости?
На погружённое тело действуют сила тяжести вниз и выталкивающая сила вверх. Их соотношение определяет, будет ли тело тонуть, всплывать или оставаться в равновесии.
Почему одни тела тонут, а другие плавают?
Это зависит от плотности тела по сравнению с плотностью жидкости. Если плотность тела больше, оно тонет; если меньше — всплывает. При равных плотностях тело может оставаться внутри жидкости.
Как по массе и объёму определить, будет ли тело плавать?
Сначала разделите массу тела на его объём — получится плотность. Затем сравните её с плотностью жидкости: большая плотность означает, что тело тонет, а меньшая — что всплывает.
Может ли тело плавать, полностью находясь под водой?
Да. Если плотность тела равна плотности жидкости, силы тяжести и выталкивающая сила могут уравновесить друг друга. Тогда тело остаётся внутри жидкости, не всплывая и не опускаясь.
Лабораторная работа № 22 «Выяснения условия плавания тел»
