Почему спасательный круг, резиновый мяч и воздушный шарик не тонут в воде?

Спасательный круг, резиновый мяч и воздушный шарик не тонут по одной и той же физической причине: в среднем они имеют меньшую плотность, чем вода, потому что внутри у них есть воздух (или другой газ). А дальше “работают” две вещи — плотность и выталкивающая сила.

1) Плотность: что “тяжелее” при одинаковом объёме

Плотность — это сколько массы приходится на единицу объёма.

• У воды плотность примерно 1 г/см³ (или 1000 кг/м³).

• У воздуха плотность примерно в тысячу раз меньше, чем у воды.

У спасательного круга, мяча и шарика есть оболочка (резина/латекс), но большая часть их объёма — это воздух внутри. Поэтому если взять весь предмет целиком (оболочка + воздух внутри) и посчитать его среднюю плотность, она обычно получается меньше плотности воды. А значит, такому предмету “выгоднее” держаться на поверхности.

2) Выталкивающая сила (закон Архимеда): вода “подпирает” предмет

Когда предмет попадает в воду, он вытесняет некоторый объём воды. В ответ вода действует на него выталкивающей силой.

Простой смысл такой:

• Выталкивающая сила примерно равна весу вытесненной воды.

• Предмет будет плавать, если выталкивающая сила ≥ веса предмета.

Поскольку круг/мяч/шарик имеют большой объём из-за воздуха внутри, они вытесняют довольно много воды, а значит выталкивающая сила получается большой. При этом вес у них небольшой (оболочка лёгкая + воздух почти ничего не весит). Поэтому вода “держит” их.

3) Почему именно эти вещи особенно хорошо плавают

Спасательный круг

У него толстая форма с большим объёмом воздуха, и он рассчитан так, чтобы даже с человеком общий “круг + человек” вытеснял достаточно воды, чтобы оставаться на плаву. У круга огромный плюс — он даёт много вытеснения при сравнительно малом весе самого материала.

Резиновый мяч

Мяч внутри тоже заполнен воздухом. Даже если резина сама по себе может быть плотнее воды, воздух внутри сильно снижает среднюю плотность мяча, и мяч плавает.

Воздушный шарик

Шарик почти целиком состоит из воздуха, а латексная оболочка очень тонкая и лёгкая, поэтому средняя плотность шарика обычно ниже плотности воды. Он держится на поверхности, хотя может погружаться частично.

4) Когда они всё-таки могут утонуть

Они не “магически не тонут”, а плавают, пока сохраняют воздух и форму.

• Если круг или мяч проколются и наберут воды, воздуха станет меньше, средняя плотность вырастет — предмет начнёт тонуть.

• Если шарик наполнить водой вместо воздуха — он утонет, потому что средняя плотность станет близкой к плотности воды или выше (а оболочка добавит массу).

• Если сильно сжать/нагрузить так, что объём вытеснения уменьшится, может не хватить выталкивающей силы.

Итог: они не тонут потому, что содержат воздух, из-за чего их средняя плотность меньше плотности воды, а выталкивающая сила воды оказывается достаточной, чтобы удерживать их на поверхности.