Почему тело выталкивается из жидкости?

Тело выталкивается из жидкости потому, что на него действует выталкивающая сила, которую называют силой Архимеда. Эта сила возникает из-за разницы давлений жидкости на верхнюю и нижнюю части погружённого тела.

Чтобы понять, почему так происходит, нужно разобраться, как жидкость действует на находящиеся в ней предметы.

1. Давление жидкости увеличивается с глубиной

Любая жидкость обладает массой и находится под действием силы тяжести. Поэтому верхние слои жидкости давят на нижние, и чем глубже находится определённая точка, тем больше давление в ней.

Давление жидкости на глубине определяется формулой:

где:

• $p$ — давление жидкости;

• $\rho$ — плотность жидкости;

• $g$ — ускорение свободного падения;

• $h$ — глубина погружения.

Представим, что мы полностью погрузили в воду кубик.

Вода давит на него со всех сторон: сверху, снизу и с боков. Однако давление на нижнюю грань кубика будет больше, чем на верхнюю, потому что нижняя грань находится глубже.

В результате сила, действующая на кубик снизу вверх, оказывается больше силы, действующей сверху вниз. Возникает результирующая сила, направленная вверх. Именно она и называется выталкивающей силой.

2. Закон Архимеда

Это явление описывает закон Архимеда, согласно которому:

На тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости или газа, вытесненных этим телом.

Математически закон записывается так:

где:

• $F_A$ — сила Архимеда (Н);

• $\rho_{\text{ж}}$ — плотность жидкости (кг/м³);

• $g$ — ускорение свободного падения (примерно 9,8 м/с²);

• $V$ — объём погружённой части тела (м³).

Из этой формулы можно сделать важный вывод: чем больше объём погружённой части тела и чем выше плотность жидкости, тем больше выталкивающая сила.

Например, в солёной морской воде человеку плавать легче, чем в пресной, поскольку плотность солёной воды выше, а значит, при одинаковом объёме погружения выталкивающая сила больше.

3. Почему одни тела плавают, а другие тонут?

Всё зависит от соотношения силы тяжести и выталкивающей силы.

Первый случай: тело тонет.

Если сила тяжести больше максимально возможной выталкивающей силы, тело опускается на дно.

Например, камень обычно тонет в воде, потому что его средняя плотность больше плотности воды.

Второй случай: тело всплывает.

Если выталкивающая сила больше силы тяжести, действующей на полностью погружённое тело, оно начинает подниматься вверх.

Например, деревянный брусок, полностью погружённый в воду, обычно всплывает, поскольку плотность дерева меньше плотности воды.

Третий случай: тело плавает на поверхности.

Когда тело частично погружено в жидкость, оно может находиться в равновесии. При этом выталкивающая сила становится равной силе тяжести:

Именно поэтому деревянный брусок плавает, частично выступая над поверхностью воды.

Если же средняя плотность тела равна плотности жидкости, оно может находиться в равновесии и полностью под водой.

4. Пример из повседневной жизни

Представим, что мы опускаем в воду пластиковую бутылку с плотно закрытой крышкой.

Пока бутылка находится над водой, на неё действует сила тяжести, направленная вниз.

Когда мы начинаем погружать бутылку в воду, появляется выталкивающая сила, направленная вверх. Чем большую часть бутылки мы погружаем, тем больше становится эта сила.

Если бутылка заполнена воздухом, её средняя плотность значительно меньше плотности воды. Поэтому, чтобы удерживать её под водой, приходится прикладывать дополнительное усилие.

Когда мы отпускаем бутылку, выталкивающая сила оказывается больше силы тяжести, и бутылка поднимается к поверхности. Она останавливается, когда погружённая часть вытесняет столько воды, вес которой равен весу бутылки.

5. Почему огромные металлические корабли не тонут?

На первый взгляд это кажется странным, ведь металл значительно плотнее воды.

Однако корабль состоит не только из металла. Внутри его корпуса имеются большие пространства, заполненные воздухом.

Благодаря этому средняя плотность корабля с учётом его внутреннего объёма оказывается меньше плотности воды.

Кроме того, корпус корабля вытесняет большой объём воды. В результате возникает достаточно большая выталкивающая сила, способная уравновесить вес корабля вместе с грузом.

Именно поэтому многотонные суда могут удерживаться на поверхности воды, хотя изготовлены из тяжёлых материалов.

6. Зависит ли выталкивающая сила от глубины?

Для полностью погружённого тела, находящегося в жидкости постоянной плотности, выталкивающая сила практически не зависит от глубины.

Хотя с увеличением глубины давление на тело со всех сторон возрастает, разность давлений между его нижней и верхней частями остаётся прежней, если размеры и объём тела не меняются.

Поэтому сила Архимеда остаётся постоянной.

Однако если тело сжимается под давлением, как, например, воздушный шарик, его объём уменьшается, а