§ 5. Плавання тіл у воді

Пригадайте

Сила Архімеда

Напевно, ви купалися у водоймі та помічали, що у воді ваше тіло здається легшим, ніж у повітрі.

Як ви пам’ятаєте, на будь-яке тіло на поверхні Землі діє сила тяжіння. І що більша маса тіла, то більшою є ця сила. А на тіло, занурене в рідину, також діє сила виштовхування. Переконатися в існуванні цієї сили легко: досить спробувати занурити у воду повітряну кульку або м’яч.

Архімед
(287−212 до н. е.)
Давньогрецький науковець та інженер, більшу частину життя провів у Сиракузах на острові Сицилія

 




Уперше силу виштовхування описав давньогрецький науковець Архімед, на честь якого сьогодні цю силу називають силою Архімеда.



 

Утім, щодо м’яча начебто й так зрозуміло: вода його виштовхує. А чи діє сила Архімеда на металеві тіла з великою густиною, які тонуть у воді? Про це можна дізнатися з досліду.

Завдання 1

Від чого залежить можливість плавати?

Ви вже, напевно, здогадалися, що один із чинників, який упливає на виштовхування тіла з рідини та можливість плавати на її поверхні, — це густина. А точніше, різниця густин тіла та рідини.

У деревини та корку густина менша, ніж у води, тож вони виштовхуються водою і плавають на ній. У корку густина значно менша, ніж у деревини, тож корковий кубик занурюється у воду значно менше, ніж дерев’яний. У металу густина більша, ніж у води, тож на металевий кубик діє сила тяжіння значно більша, ніж сила виштовхування.


ρтіла > ρрідини — тіло тоне в рідині

ρтіла < ρрідини — тіло спливає на поверхню

ρтіла ≈ ρрідини — тіло плаває всередині рідини

Латунний важок плаває на поверхні ртуті. У ртуті густина в 13,5 рази більша, ніж у води (порівняйте густини води, ртуті та латуні за Додатком).
Тіла з яких металів будуть також плавати на поверхні ртуті?

Порівняємо залізну кулю та корабель, виготовлений із заліза такої самої маси.
Якщо маса заліза в кулі та в кораблі однакова, то на них діє майже однакова сила тяжіння (у повітря, яким заповнений корабель, маса дуже маленька).

Але вони суттєво відрізняються густиною:

Маса повітря дуже маленька, нею можна знехтувати. Об’єм корабля набагато більший, ніж об’єм кулі.
Унаслідок різниці в об’ємах середня густина корабля значно менша, ніж у кулі, тож на нього діє сила виштовхування (сила Архімеда) значно більша, ніж на кулю.
Через великий об’єм середня густина корабля не лише менша, ніж у залізної кулі, але й менша, ніж у води. Саме тому, на відміну від кулі, корабель не тоне. Звісно, якщо корабель заповнити водою, його середня густина стане більшою, ніж у води, і він потоне.

Завдання 2

Плавання у водоймах

Якщо у вас є досвід плавання у прісній і солоній воді, ви могли помітити, що в солоній воді легше триматися на поверхні. Густини прісної й солоної води відрізняються несуттєво.
Тіло людини значною мірою складається з води, тож густина нашого тіла майже така сама, як у води. Проте ці, хоч і невеликі, відмінності добре відчуваються під час плавання або пірнання.

Коли легені наповнені повітрям, густина тіла людини менша за густину води. До того ж морська вода більш щільна, тому виштовхує тіло людини сильніше.

Ще більше різниця між силою виштовхування води різної солоності та температури позначається на кораблях.
Це одна з причин, чому річкові й морські кораблі відрізняються за конструкцією.

Перегляньте відеоексперимент про вплив густини на можливість плавання тіл.

В Ізраїлі є Мертве море. Його вода настільки солона, що в ній не може жити жодна істота. Ця вода містить солей майже в 10 разів більше, ніж у середньому морська вода. Із цієї причини густина води цього моря набагато більша, ніж у морської води, — 1300–1400 кг/м3. Саме тому вода Мертвого моря виштовхує всі тіла значно сильніше, ніж вода інших водойм.

Наскільки корабель буде занурений у воду, насамперед залежить від його навантаження. Якщо всі трюми корабля пусті (точніше, заповнені повітрям), то його середня густина найменша і він занурений мінімально. У міру заповнення корабля вантажем його середня густина збільшується, тож він занурюється глибше.

За великого навантаження край борту корабля розташований дуже близько до води. Під час сильного коливання корабля або шторму вода може потрапити всередину й спричинити затоплення. Аби запобігти такому прикрому випадку, на зовнішній бік борту наносять ватерлінію (від англ. water — вода), якою позначають максимально безпечне занурення корабля (з повним вантажем).

Змінювати середню густину тіла з метою триматися на різній глибині можуть і деякі риби. Звісно, вони не здатні брати додатковий вантаж, але можуть змінювати обсяг газів у своєму тілі. Для цього в риб є спеціальний орган — плавальний міхур.

Головна функція міхура — підтримувати плавучість риби, щоб вона могла втримуватися на певній глибині без зусиль. Піднімаючись вище до поверхні водойми або занурюючись, риба може змінювати обсяг газів усередині міхура, а отже, й середню густину, та підтримувати свою плавучість.

Завдання 3

Підсумуємо

Завдання 4

ЗАВДАННЯ ДО ПАРАГРАФА