Действие выталкивающей силы на тело, погружённое в жидкость

Издавна люди наблюдали за природными явлениями и пытались их объяснить. Учёные пытались объяснить это научным путём.

Например: Архимед открыл, что на все тела, погружённые в жидкость и в газ, действует выталкивающая сила. Её назвали силой Архимеда.

Простейшая модель подводной лодки висит между поверхностью и дном. Но ни всплыть, ни погрузится глубже - она не может. А ведь настоящую лодку никто не будет вынимать из воды, чтобы смотать или домотать кусочек проволоки. Как же маневрирует подводная лодка? Как она всплывает, как ложится на дно? Простейшим примером такого «маневрирующего» подводного судна служит виноградинка в газированной воде! Мы знаем, что газированная вода, а также все фруктовые и минеральные воды, которые продаются в бутылках, насыщены газом под давлением. Но вот бутылка открыта, вода налита в стакан. Газ выходит в пене и брызгах. Но часть его ещё осталась. Эта часть продолжает постепенно выделяться, оседая пузырьками на стенках стакана. В стакан со свеженалитой водой бросим виноградину. Она чуть тяжелее воды и опустится на дно. Но на нее тут же начнут садиться пузырьки газа. Словно маленькие воздушные шарики! Скоро их станет так много, что виноградинка всплывёт. Но на поверхности пузырьки полопались, и газ улетел.

Отяжелевшая виноградинка вновь опустилась на дно. Здесь она снова «обросла» пузырьками газа и снова всплыла. Так повторялось несколько раз, пока вода не «выдохлась».

Подобным образом ведёт себя подводная лодка, она всплывает и погружается очень похожим способом. Только у лодки пузырьки газа не снаружи. Она ведь не в газировке плавает! У лодки есть внутри специальные цистерны. Называются они балластными, потому что в них набирают балласт – груз, который тянет лодку вниз. Этим грузом служит забортная вода.

Командир приказывает погрузиться. Цистерны открывают, и в них устремляется вода. Она вытесняет воздух. Спешат, бурлят воздушные пузыри. Они расстаются с лодкой, как пузырьки газа со всплывшей виноградиной. И лодка, словно виноградина, теряет плавучесть и опускается в глубину.

Надо снова всплыть. «Продуть балластные!» - приказывает командир. И цистерны снова открываются, но теперь в них устремляется сжатый воздух из специальных баллонов. Он вытесняет, выгоняет воду, он сам заполняет цистерны. Внутри лодки словно образуются большие воздушные пузырьки. И облегченная лодка всплывает.

Я решил пронаблюдать за поведением пузырька воздуха, находящегося в стакане с водой.

Оборудование : стакан с водой, линейка, таблица плотностей жидкости.

Выполнение наблюдений:

1. Налил воду из-под крана в стакан.

2. Убедился в наличии воздушных пузырьков на дне.

3. Пронаблюдал за поведением одного из них: пузырёк, увеличиваясь в объёме, по мере подъёма к поверхности воды, лопнул на поверхности воды, из-за разности давлений; атмосферного и внутри расширенного пузырька.

4. Расчитал изменение объёма пузырька в зависимости от высоты.

1) Объём пузырька на дне стакана

Vg=1мм. куб.

2) Высота водяного столба в стакане h=90мм=0,09м.

3) Давление на поверхности воды – атмосферное

Pа=100000Па

4) Давление на дне стакана

Рg=Pa+Ph , где Ph-давление водяного столба.

Ph=gph; где p - плотность воды =10000 кг/куб. м.

Рh=10 н/кг 1000 кг/куб. м. 0,09=900 Па

Pg=100000+900+100900(Па)

Отношение Рg = 100900

- =1,009 двух давлений Pa 100000

5) Объём пузырька воздуха на поверхности стакана

Vn=Vg 1,009 =1мм. куб 1,009 =1,009 мм. куб.

Из расчётов видно, что объём пузырька воздуха увеличился.

6)Рассчитаем, как меняется объём пузырька воздуха поднимающегося со дна любого водоёма на поверхность воды:

Высота водоёма h =50м

Объём пузырька на дне Vg=3мм. куб.

Плотность воды Pв=1000кг/куб. м

Атмосферное давление Ра=100000Па

Найти объём пузырьков на поверхности Vп-?

Решение:

Р = Ра + Рв – давление на дне

Р воды = gph

Р воды=10 н/кг 100кг/куб. м 50м = 500000Па=500кПа

Р = 100000 + 500000 = 600000(Па)

Р/Ра=600000/100000=6(раз)

Vn=vg6 ; Vn=3 6=18(мм. куб. )

Герой книги Ж. Кусто и Ф. Дюма «В мире безмолвия» рассказывает: «На глубине шести футов (1,83 м- М. Т. ) уже было тихо и спокойно, но катящиеся наверху волны давали о себе знать до глубины в двадцать футов ритмичным усилием давления на барабанные перепонки». Это происходит так как давление внутри жидкости пропорционально глубине погружения. При наличии волн толщина слоя воды периодически изменяется. Это приводит к изменению давления ,что и ощущают барабанные перепонки.

В ходе своих исследований я убедился, что увеличивающиеся воздушные пузырьки в опыте с виноградинкой помогают виноградинке всплыть.

На этих явлениях конструируются и работают подводные лодки. Ещё раз можно убедиться, что «живая природа» помогает человечеству в научно – техническом прогрессе.