Архімед із Сіракуз жив між 287 і 212 рр. До н. Серед найвідоміших його відкриттів - принцип плавучості тіл, відомий сьогодні як принцип Архімеда.
Архімед виявив, що тіло, частково або повністю занурене всередину рідини, відчуває висхідну силу, яка називається силою тяги або просто тягою, модуль якої дорівнює вазі рідини, яку вона витісняє.
Підвищення рівня води в глечику таке ж, як і було б, якби замість того, щоб покласти камінь у глечик, у нього налили об’єм води, рівний об’єму каменю.
Що стосується модулів, то тяга визначається наступним чином:
Де E - сила тяги, а Pfd відповідає вазі витісненої рідини. Важливо не плутати вагу витісненої рідини з вагою зануреного об’єкта. Перший залежить від маси витісненої рідини (mfd);
Як ми знаємо, вага предмета, з іншого боку, становить:
Принцип Архімеда застосовується до поведінки рідин загалом. Таким чином, повітряна куля піднімається, коли її вага менша за вагу атмосферного повітря, яке вона витісняє.
Приклад I
Сталеву кульку поміщають у склянку, що містить чисту воду. Як тільки кулька знаходиться всередині рідини, точна кількість води, що витісняється предметом, видаляється піпеткою, тобто ємність повертається до початкового рівня рідини. Вимірюючи масу видобутої води, отримують 10 г.
а) Яка вага витісненої води?
б) Який модуль тяги відчуває сталевий куля?
а) Щоб знайти вагу витісненої води, нам потрібно лише знати її масу. Відповідно до рівняння (рівняння 2) маємо:
б) Відповідно до принципу Архімеда, вираженого у рівнянні (рівняння 1), отримуємо:
Чому предмет тоне або плаває?
Плавучість об’єкта залежить від залежності між його щільністю і щільністю рідини, в якій він знаходиться. Ми проаналізуємо три можливі випадки.
Предмет щільніше рідини.
У цьому випадку предмет потрапляє на дно рідини, в яку він занурений, оскільки вага предмета більша за вагу витісненої рідини і, отже, більша за тягу:
Камінь, повністю занурений у малюнок, є гарним прикладом цієї ситуації.
Об’єкт має таку ж щільність, що і рідина.
У цьому випадку ми не можемо сказати, що об'єкт тоне або плаває, хоча це приватний випадок, коли вага об'єкта дорівнює вазі витісненої рідини і, отже, дорівнює тязі. Однак об'єкт все ще міг знаходитися на краю поверхні рідини або на дні.
Прикладом цього стану може бути ситуація, коли повітряна куля наповнена водою всередині іншої ємності з водою.
Об'єкт має меншу щільність, ніж рідина.
У цьому випадку об'єкт залишається частково зануреним, тобто він плаває. Це тому, що якщо тіло повністю занурене в воду, його вага менше, ніж вага рідини, яку воно витісняє, так що воно піднімається на поверхню.
За цих умов плавучий об’єкт витісняє об’єм води, який становить частку від загального об’єму об’єкта, що дозволяє збалансувати його вагу та тягу. Звичайно, прикладів цієї ситуації безліч.
Мабуть, найбільш вражаючим є айсберг у морі, чий вітчизняний варіант ми можемо спостерігати за допомогою кубиків льоду у склянці води.
Що трапляється з такою рідиною, як нафта, якщо вона потрапляє у воду? Він піднімається на поверхню води чи опускається на глибину? Чому? Підсумовуючи, принцип Архімеда можна виразити як функцію щільності рідини наступним чином:
Таким чином, для плаваючого об’єкта умова рівноваги як функція його густини (ρ0) та щільності рідини (ρ) становить: