В предыдущем параграфе мы назвали две формулы, при помощи которых силу Архимеда можно измерить. Теперь выведем формулу, при помощи которой силу Архимеда можно вычислить.

Закон Архимеда для жидкости выражается формулой (см. § 3-е):

F_арх = W_ж

Примем, что вес вытесненной жидкости равен действующей силе тяжести:

W_ж = F_тяж = m_жg

Масса вытесненной жидкости может быть найдена из формулы плотности:

r = m/V     Ю     m_ж = r_жV_ж

Подставляя формулы друг в друга, получим равенство:

F_арх = W_ж = F_тяж = m_ж g = r_жV_ж g

Выпишем начало и конец этого равенства:

F_арх = r_ж gV_ж

Вспомним, что закон Архимеда справедлив для жидкостей и газов. Поэтому вместо обозначения «r_ж» более правильно использовать «r_ж/г». Также заметим, что объём жидкости, вытесненной телом, в точности равен объёму погруженной части тела: V_ж = V_пчт. С учётом этих уточнений получим:

Fарх – архимедова сила, Н rж/г – плотность жидкости, кг/м3 g – коэффициент силы тяжести, Н/кг Vпчт – объём погруженной части тела, м3

Итак, мы вывели частный случай закона Архимеда – формулу, выражающую способ вычисления силы Архимеда. Вы спросите: почему же эта формула – «частный случай», то есть менее общая?

Поясним примером. Вообразим, что мы проводим опыты в космическом корабле. Согласно формуле F_арх = W_ж, архимедова сила равна нулю (так как вес жидкости равен нулю), согласно же формуле F_арх = r_ж/г gV_пчт архимедова сила нулю не равна, так как ни одна из величин (r, g, V) в невесомости в ноль не обращается. Перейдя от воображаемых опытов к настоящим, мы убедимся, что справедлива именно общая формула.

Продолжим наши рассуждения и выведем ещё один частный случай закона Архимеда. Посмотрите на рисунок. Поскольку бревно находится в покое, следовательно, на него действуют уравновешенные силы – сила тяжести и сила Архимеда. Выразим это равенством:

F_арх = F_тяж

Или, подробнее:

r_ж gV_пчт = m_т g

Разделим левую и правую части равенства на коэффициент «g»:

r_ж V_пчт = m_т

Вспомнив, что m = rV, получим равенство:

r_ж V_пчт = r_т V_т

Преобразуем это равенство в пропорцию:

В левой части этой пропорции стоит дробь, показывающая долю, которую составляет объём погруженной части тела от объёма всего тела. Поэтому всю дробь называют погруженной долей тела:

Используя эту формулу, предскажем, чему должна быть равна погруженная доля бревна при его плавании в воде:

ПДТ (полена) » 500 кг/м³ : 1000 кг/м³ = 0,5

Число 0,5 означает, что плавающее в воде бревно погружено наполовину. Так предсказывает теория, и это совпадает с практикой.

Итак, обе формулы в рамках являются менее общими, чем исходная, то есть имеют более узкие границы применимости. Почему же так произошло? Причина – применение нами формулы W = F_тяж. Вспомним, что она не верна, если тело или его опора (подвес) движутся непрямолинейно (см. § 3-г). Упоминавшийся нами космический корабль именно так и движется – по круговой орбите вокруг Земли.

Физика.ru   •   Клуб для учителей физики, учащихся 7-9 классов и их родителей