В сосуд с водой опускают тело подвешенное на нити

На поверхность твердого тела, погруженного в жидкость, действуют, как мы знаем, силы давления. Так как давление увеличивается с глубиной погружения, то силы давления, действующие на нижнюю часть тела и направленные вверх, больше, чем силы, действующие на верхнюю его часть и направленные вниз, и мы можем ожидать, что равнодействующая сил давления будет направлена вверх. Опыт подтверждает это предположение.

Рис. 258. Если груз погружен в воду, показание динамометра уменьшается

Рис. 259. Пробка, погруженная в воду, натягивает нитку

Если, например, гирю, подвешенную к крючку динамометра, опустить в воду, то показание динамометра уменьшится (рис. 258).

Равнодействующая сил давления на тело, погруженное в жидкость, называется выталкивающей силой. Выталкивающая сила может быть больше силы тяжести, действующей на тело; например, кусок пробки, привязанный к дну сосуда, наполненного водой, стремясь всплыть, натягивает нитку (рис. 259). Выталкивающая сила возникает и в случае частичного погружения тела. Кусок дерева, плавающий на поверхности воды, не тонет именно благодаря наличию выталкивающей силы, направленной вверх.

Если тело, погруженное в жидкость, предоставить самому себе, то оно тонет, остается в равновесии или всплывает на поверхность жидкости в зависимости от того, меньше ли выталкивающая сила силы тяжести, действующей на тело, равна ей или больше ее. Выталкивающая сила зависит от рода жидкости, в которую, погружено тело. Например, кусок железа тонет в воде, но плавает в ртути; значит, в воде выталкивающая сила, действующая на этот кусок меньше, а в ртути — больше силы тяжести.

Найдем выталкивающую силу, действующую на твердое тело, погруженное в жидкость.

Рис. 260. а) Тело находится в жидкости, б) Тело заменено жидкостью

Выталкивающая сила, действующая на тело (рис. 260 а), есть равнодействующая сил давления жидкости на его поверхность. Представим себе, что тело удалено и его место занято той же жидкостью (рис. 260, б). Давление на поверхность такого мысленно выделенного объёма будет таким же, каким было давление на поверхность самого тела. Значит, и равнодействующая сила давления на тело (выталкивающая сила) равна равнодействующей сил давления на выделенный объем жидкости. Но выделенный объем жидкости находится в равновесии. Силы, действующие на него, — это сила тяжести

 и выталкивающая сила

 (рис. 261, а). Значит, выталкивающая сила равна по модулю силе тяжести, действующей на выделенный объем жидкости, и направлена вверх. Точкой приложения этой силы должен быть центр тяжести выделенного объема. В противном случае равновесие нарушилось бы, так как сила тяжести и выталкивающая сила образовали бы пару сил (рис. 261, б). Но, как уже сказано, выталкивающая сила для выделенного объема совпадает с выталкивающей силой тела. Мы приходим, таким образом, к закону Архимеда:

Выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость, равна по модулю силе тяжести, действующей на жидкость в объеме, занимаемом телом (вытесненный объем), направлена вертикально вверх и приложена в центре тяжести этого объема. Центр тяжести вытесненного объема называют центром давления.

Рис. 261. а) Равнодействующая сил давления на поверхность погруженного тела равна силе тяжести, действующей на жидкость, объем которой равен объему тела, б) Если бы точка приложения равнодействующей силы не совпадала с центром тяжести вытесненного объема жидкости, то получилась бы пара сил и равновесие этого объема было бы невозможным

Для тела, имеющего простую форму, можно вычислить выталкивающую силу, рассмотрев силы давления на его поверхность. Пусть, например, тело, погруженное в жидкость, имеет форму прямого параллелепипеда и расположено так, что две его противолежащие грани горизонтальны (рис. 262). Площадь его основания обозначим через

, высоту — через

, а расстояние от поверхности до верхней грани — через

.

Равнодействующая сил давления жидкости составляется из сил давления на боковую поверхность параллелепипеда и на его основания. Силы действующие на боковые грани, взаимно уничтожаются, так как для противолежащих граней силы давления равны по модулю и противоположны по направлению. Давление на верхнее основание равно

, на нижнее основание равно

. Следовательно, силы давления на верхнее и на нижнее основания равны соответственно

,

причем сила

 направлена вниз, а сила

 — вверх. Таким образом, равнодействующая

 всех сил давления на поверхность параллелепипеда (выталкивающая сила) равна разности модулей сил

 и

:

,

и направлена вертикально вверх. Но

 — это объем параллелепипеда, а

 — масса вытесненной телом жидкости. Значит, выталкивающая сила действительно равна по модулю силе тяжести, действующей на вытесненный объем жидкости.

Рис. 262. К вычислению выталкивающей силы

Рис. 263. Опытная проверка закона Архимеда при помощи «ведерка Архимеда»

Если тело, подвешенное к чашке весов, погрузить в жидкость, то весы показывают разность между весом тела и выталкивающей силой, т. е. весом вытесненной жидкости. Поэтому закону Архимеда придают иногда следующую формулировку: тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

Для иллюстрации справедливости этого вывода сделаем следующий опыт (рис. 263): пустое ведерко

 («ведерко Архимеда») и сплошной цилиндр

, имеющий объем, в точности равный вместимости ведерка, подвесим к динамометру. Затем, подставив сосуд с водой, погрузим цилиндр в воду; равновесие нарушится, и растяжение динамометра уменьшится. Если теперь наполнить ведерко водой, то динамометр снова растянется до прежней длины. Потеря в весе цилиндра как раз равна весу воды в объеме цилиндра.

По закону равенства действия и противодействия выталкивающей силе, с которой жидкость действует на погруженное тело, соответствует сила, с которой тело действует на жидкость. Эта сила направлена вертикально вниз и равна весу жидкости, вытесненной телом. Следующий опыт демонстрирует сказанное (рис. 264). Неполный стакан с водой уравновешивают на весах. Затем в стакан погружают тело, подвешенное на штативе; при этом чашка со стаканом опускается, и для восстановления равновесия приходится добавить на другую чашку гирю, вес которой равен весу воды, вытесненной телом.

Рис. 264. Вес гири, которую нужно положить на левую чашку весов, равен весу воды, вытесненной телом

160.1.
Найдите выталкивающую силу, действующую на погруженный в воду камень массы 3 кг, если его плотность равна

.

160.2.
Куб с ребром 100 мм погружен в сосуд, наполненный водой, поверх которой налит керосин так, что линия раздела обеих жидкостей проходит посередине ребра куба. Найдите выталкивающую силу, действующую на куб. Плотность керосина равна

.

160.3
. Кусок пробки массы 10 г, обмотанный медной проволокой с поперечным сечением

, остается в равновесии в воде, не погружаясь и не всплывая (табл. 1). Найдите длину проволоки.

160.4.
Что произойдет с весами, находящимися в равновесии, если в стакане с водой, стоящий на чашке весов, погрузить палец, не прикасаясь пальцем ни к дну, ни к стенкам стакана?

160.5.
К чашкам весов подвешены на нитках кусок меди и кусок железа массы 500 г каждый (табл. 1). Нарушится ли равновесие, если медь погрузить в воду, а железо — в керосин плотности

. Гирю какой массы и на какую чашку весов нужно поставить, чтобы восстановить равновесие?

Óñëîâèÿ çàäà÷

Ãèäðîñòàòèêà.

1201.
Ñîñóä ñ âîäîé óðàâíîâåøåí íà îäíîé èç ÷àøåê ðû÷àæíûõ âåñîâ.  ñîñóä
îïóñêàþò ïîäâåøåííûé íà íèòè ìåòàëëè÷åñêèé áðóñîê ìàññîé
m òàê, ÷òî îí îêàçûâàåòñÿ ïîëíîñòüþ
ïîãðóæåííûì â âîäó, íî íå êàñàåòñÿ ñòåíîê è äíà ñîñóäà. Êàêîé ãðóç è íà
êàêóþ ÷àøêó âåñîâ íàäî ïîëîæèòü, ÷òîáû âîññòàíîâèòü ðàâíîâåñèå?
Ïëîòíîñòü ìåòàëëà rì,
âîäû râ.
ðåøåíèå

1202.
Êîëåíà U-îáðàçíîãî ñîñóäà óäàëåíû äðóã
îò äðóãà íà l = 15 ñì. Íàéäèòå
ìàêñèìàëüíóþ ðàçíîñòü óðîâíåé âîäû â íèõ, åñëè ñîñóä äâèæåòñÿ ñ
ãîðèçîíòàëüíûì óñêîðåíèåì à = 6 ì/ñ2.
ðåøåíèå

1203.
 ñòàêàí, íàïîëîâèíó çàïîëíåííûé æèäêîñòüþ ïëîòíîñòüþ
r, îïóñêàþò óäåðæèâàåìûé â
âåðòèêàëüíîì ïîëîæåíèè öèëèíäð, ïî âûñîòå ðàâíûé âûñîòå ñòàêàíà. Öèëèíäð
îêàçûâàåòñÿ â ðàâíîâåñèè, êîãäà îò åãî íèæíåãî êðàÿ äî äíà îñòàåòñÿ
÷åòâåðòü âûñîòû ñòàêàíà. ×åìó ðàâíà ïëîòíîñòü ìàòåðèàëà öèëèíäðà, åñëè
åãî ñå÷åíèå S, à ñå÷åíèå ñòàêàíà
So?
Òðåíèÿ íåò. ðåøåíèå

1204.
Ñîñóä ñ âîäîé óðàâíîâåøåí íà âåñàõ. Ñîõðàíèòñÿ ëè ðàâíîâåñèå, åñëè
îïóñòèòü ïàëåö â âîäó, íå êàñàÿñü ïðè ýòîì äíà ñîñóäà?
ðåøåíèå

1205.
 ñîñóäå íàõîäÿòñÿ äâå íåñìåøèâàþùèåñÿ æèäêîñòè ðàçëè÷íûõ ïëîòíîñòåé. Íà
ãðàíèöå ðàçäåëà æèäêîñòåé ïëàâàåò îäíîðîäíûé êóáèê, öåëèêîì ïîãðóæåííûé
â æèäêîñòü. Ïëîòíîñòü r
ìàòåðèàëà êóáèêà áîëüøå ïëîòíîñòè r1
âåðõíåé æèäêîñòè, íî ìåíüøå ïëîòíîñòè
r2 íèæíåé æèäêîñòè (r1
< r <
r2). Êàêàÿ ÷àñòü
îáúåìà êóáèêà áóäåò íàõîäèòüñÿ â âåðõíåé æèäêîñòè?
ðåøåíèå

1206. Òîíêàÿ îäíîðîäíàÿ ïàëî÷êà øàðíèðíî óêðåïëåíà çà âåðõíèé êîíåö.
Íèæíÿÿ ÷àñòü ïàëî÷êè ïîãðóæåíà â âîäó (r
= 1000 êã/ì3). Ïðè ýòîì ðàâíîâåñèå äîñòèãàåòñÿ òîãäà, êîãäà
ïàëî÷êà ðàñïîëîæåíà íàêëîííî ê ïîâåðõíîñòè âîäû è â âîäå íàõîäèòñÿ 2/3
÷àñòè ïàëî÷êè. Îïðåäåëèòå ïëîòíîñòü ïàëî÷êè?
ðåøåíèå

1207.
Òåëî â ôîðìå öèëèíäðà ïëàâàåò â âîäå â âåðòèêàëüíîì ïîëîæåíèè, áóäó÷è
ïîãðóæåííûì â íåå íà 80 % ñâîåãî îáúåìà. Êàêàÿ ÷àñòü òåëà áóäåò
ïîãðóæåíà â âîäó, åñëè ïîâåðõ íåå íàëèòü ñëîé áåíçèíà ïîëíîñòüþ
çàêðûâàþùèé òåëî? Ïëîòíîñòü âîäû 1000 êã/ì3, ïëîòíîñòü
áåíçèíà – 700 êã/ì3.
ðåøåíèå

1208.
 áàê äèàìåòðîì d = 0,2 ì íàëèòî
m1 = 40 êã âîäû è áðîøåí êóñîê
ëüäà ìàññîé m2 = 9 êã ñ
ïðèìåðçøèì êàìíåì ìàññîé m3
= 0,9 êã. Ïëîòíîñòü âîäû r1
= 1000 êã/ì3, ëüäà – r2
= 900 êã/ì3, êàìíÿ – r3
= 3000 êã/ì3. Îïðåäåëèòå óðîâåíü âîäû â áàêå ïîñëå òàÿíèÿ
ëüäà. ðåøåíèå

1209.
 áàê äèàìåòðîì d = 0,2 ì íàëèòî
m1 = 60 êã âîäû è áðîøåí êóñîê
ëüäà ìàññîé m2 = 9 êã ñ
ïðèìåðçøèì ïåíîïëàñòîì ìàññîé m3
= 0,3 êã. Ïëîòíîñòü âîäû r1
= 1000 êã/ì3, ëüäà – r2
= 900 êã/ì3, ïåíîïëàñòà – r3
= 100 êã/ì3. Îïðåäåëèòå óðîâåíü âîäû â áàêå ïîñëå òàÿíèÿ ëüäà.
ðåøåíèå

1210. Îòêðûòàÿ öèñòåðíà ñ âîäîé ñòîèò íà ðåëüñàõ, ïî êîòîðûì ìîæåò
äâèãàòüñÿ áåç òðåíèÿ. Ìàññà öèñòåðíû M,
ìàññà âîäû m. Ñâåðõó â öèñòåðíó íà
ðàññòîÿíèè l îò åå öåíòðà ïàäàåò
âåðòèêàëüíî ãðóç ìàññîé m.
 êàêóþ ñòîðîíó è íà ñêîëüêî ñäâèíåòñÿ öèñòåðíà ê òîìó âðåìåíè, êîãäà
äâèæåíèå âîäû óñïîêîèòñÿ è ãðóç áóäåò ïëàâàòü?
ðåøåíèå

                                                                  
ñëåäóþùàÿ äåñÿòêà
>>>

В интернете периодически выкладывают одни и те же задачки, которые вроде бы уже и разобраны досконально, по ним уже даже сняты видеоопыты, но все равно есть значительная часть людей, которые уверены, что ответ тут будет совсем другой.

Вот например задачка на картинке. Сколько ее не выкладывай, ответы будут постоянно разные.

Ну, ответте и вы тогда уж:

Вот самые популярные объяснения из интернета:

1. Весы наклонятся налево потому что:

– слева вес равен давлению столба жидкости на дно ёмкости + вес шарика , а справа вес равен только давлению столба жидкости .
соответственно при заданных условиях вес слева будет больше веса справа .

– Налево по идее. Потому что стальной шарик подвешен, дна не касается. Значит справа давит только вода. А слева маленькое преимущество дает шарик

– Левый стакан тяжелее, там в системе, кроме воды и стакана – еще и шарик. Для него можно рассматривать вариант без нити, с шариком плавающим на поверхности.

– Зачем рассматривать то что творится в колбах. Достаточно знать, что колбы одинаковые, в них налито равное количество воды, но в одной колбе находится еще и шарик для пинг-понга, в то время как во второй ничего. Если бы опора металлического шарика находилась на чаше весов то перевес бы был со стороны металлического шарика. В данном случае перевесит колба с легким шариком.

– Металлический шарик никак не влияет на массу стакана. Значит, масса левой чашки весов будет больше на массу шарика для пинг понга

2. Весы наклонятся направо, потому что:

– Вода толкает шарик вверх, сама отталкиваясь от него вниз. Слева действие выталкивающей силы компенсируется силой натяжения нити.

– представим пустую ванну (для простоты будем считать, что она пластиковая и ничего не весит). В ванну лег человек весом 100 кг. Сколько будет весить ванна? 100 кг.
Теперь нальем туда 100 литров воды. Сколько будет весить ванна? 200 килограмм. Теперь подвесим человека на тросе, так что-бы он остался в воде. Весь-ли вес человека придется на трос? Нет, на трос придется часть веса, потому-что в воде он стал легче. Предположим, что объем человека – 50 литров, соответственно в воде он весит на 50 кг меньше.
Соответственно, на тросе повиснет 50 кг. Значит в ванне останется на 50 кг меньше. Значит ванна будет весить 150 кг. А левая чашка… нет разницы плавает там шарик или брошен на воду – там изменится только форма воды, а вес увеличиться на вес этого пластикового шарика.

– Правая чашка весов: После погружения стального шарика в воду, его вес (сила действующая на нить, на которой он висит) уменьшилась на вес вытесненной им воды. Компенсировать это изменение веса можно только за счёт увеличение веса стакана с водой.

Левая чашка весов: Подъём уровня воды из-за погружённого в воду шарика (весом которого можно пренебречь) равносилен тому, что вода находится просто в более узком сосуде. Никакого изменения веса стакана не происходит.

–  Шарики одинаковы по объему и вытесняют одинаковое количество воды. Тяжелый шарик никак жестко не привязан к сосуду с водой. Следовательно вес сосуда, определяется только фактическим объемом воды находящейся в нем и объемом воды вытесняемой шариком. Легкий шарик жестко привязан к донышку сосуда. Шарик полый и на него действует выталкивающая сила, действующая и на сосуд по жесткой связи. Следовательно вес сосуда, определяется фактическим объемом воды находящейся в нем, объемом воды вытесняемой шариком и силой выталкивания, направленной в противоположную сторону. При одинаковом объеме воды, сосуд с легким шариком весит меньше…

– Чаша со стальным шариком перевешивает на величину вес воды вытесненной шариком, остальной вес воспринимает подвес.

3. Система будет в равновесии:

– Равновесие. Железо не давит на рычаг, полый шар почти что тоже, объём воды в одинаковых стаканах одинаков.

– На шарик пинг-понга действует архимедова сила, но она уравновешена натяжением нити, в итоге не влияет на весы. Стальной шарик просто подвешен на внешней опоре и тоже не влияет на весы. Объем шариков не играет роли, даже если они будут разного диаметра это не нарушит равновесия. Главное одинаковый объем воды.

А теперь все же правильный ответ:

Кто объяснит без формул, почему все происходит именно так?

П.С. кстати, пару лет назад, когда я выкладывал эту задачку ответы были вот такие: