Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Насколько же велика эта выталкивающая сила? Рассмотрите твердое тело, погруженное в жидкость, содержащуюся в контейнере. Твердое тело должно создать место для того, чтобы разместить собственный объем, раздвигая или перемещая эквивалентный объем жидкости; уровень жидкости в контейнере соответственно повышается, чтобы разместить этот перемещенный объем.

Из рассмотренного следует, что твердое тело при погружении прикладывает к жидкости направленную вниз силу, достаточно большую, чтобы сбалансировать вес собственного объема твердого тела жидкостью. В соответствии с третьим законом Ньютона ожидается, что жидкость, в свою очередь, приложит к твердому телу эквивалентную выталкивающую силу, равную весу все того же количества жидкости.

Первоначальный вес погруженного тела равен его объему (V), умноженному на его плотность (D). Вес вытесненной жидкости равен ее объему (который является равным объему погруженного твердого тела и, следовательно, также равен V), умноженному на ее плотность (d). Вес тела после погружения (W) равен его первоначальному весу минус вес вытесненной воды:

W = VD – Vd. (Уравнение 9.2)

Решая данное уравнение для D (плотность погруженного твердого тела), мы имеем:

D = (W + Vd)/V. (Уравнение 9.3)

Вес погруженного тела (W) может быть непосредственно измерен, объем вытесненной жидкости (V) — получен сразу после измерения повышения уровня жидкости и площади поперечного сечения сосуда, а плотность жидкости (d) также может быть легко измерена. Имея эти данные, мы легко можем рассчитать из уравнения 9.3 плотность погруженного тела.

Этот метод измерения плотности был открыт в III столетии до н.э. великим греческим математиком Архимедом. История гласит, что царь Гиерон из Сиракуз, получив золотую корону от ювелира, заподозрил того в нечестности. Царь чувствовал (а точнее, ему донесли), что ювелир сплавил золото с более дешевым серебром и присвоил себе разницу. Царь дал указание Архимеду определить: так ли оно было сделано. Естественно, корону повреждать было нельзя.

Архимед знал, что плотность короны, сделанной из серебряного сплава, будет меньше, чем золотой, но он не мог найти способ измерить плотность короны. Для определения плотности ему было необходимо знать как вес, так и объем короны. Однако если вес короны он мог узнать легко, то как узнать объем короны, не придавая ей формы куба, сферы или другой формы, для которой геометрией того времени была разработана методика расчета объема, он не знал. Кроме того, Гиерон не одобрил бы такое «изменение формы» со всеми вытекающими из этого факта последствиями.

Плавучесть

Как гласит легенда, принцип плавучести пришел в голову Архимеду, когда он лег отдохнуть в полную ванну и увидел вытесненную из нее на пол воду. История донесла до нас зрелище голого, бегущего по улицам Сиракуз Архимеда. Он бежал, крича: «Эврика! Эврика!» («Я нашел! Я нашел!») Погрузив в воду корону и измерив повышение уровня воды, а также зная ее вес, и сделав то же самое с куском чистого золота равного веса, он сразу смог сообщить, что плотность материала, из которого была сделана корона, значительно меньше, чем у золота; соответственно ювелир был наказан. А основные принципы плавучести с тех пор называются «законы Архимеда».

Погруженное тело имеет большую плотность, чем плотность жидкости, в которую оно погружено, то есть D больше, чем d, и VD, естественно, больше, чем Vd. Из уравнения 9.2 мы видим, что в этом случае вес (W) погруженного тела должен быть положительным числом. Вес тела уменьшается, но все же он еще больше, чем нуль, и тело тонет в жидкости. (Подобным образом, твердый — железный или алюминиевый — предмет тонет в воде.)

Однако если погруженное тело имеет меньшую плотность, чем плотность жидкости, в которую оно погружается, то есть D меньше, чем d, VD меньше, чем Vd, то погруженное тело имеет вес, который выражается отрицательным числом. С отрицательным весом тело в ответ на поле тяготения скорее перемещается вверх. (Таким образом, деревянная палочка или пузырек воздуха, погруженные в воду, будут «падать вверх», как только мы перестанем их удерживать под водой и позволим им свободно двигаться.)

Плавание

Тело, обладающее меньшей плотностью, чем окружающая его жидкость, будет плавать, частично погруженное, на поверхности этой жидкости; в этом состоянии вес воды, которую это тело вытеснило, равен его собственному первоначальному весу; в таком случае его вес в воде равен нулю и оно не всплывает и не тонет. Твердое тело плавает, когда оно вытеснило такое количество воды (меньшее, чем его собственный объем), чтобы оно равнялось его собственному первоначальному весу.

Однако, несмотря на то что стальное судно плавает, это не означает, что плотность стали меньше, чем плотность воды. Ведь не сталь в одиночку вытесняет воду. Внутри судна находится воздушная полость, то есть по мере погружения в воду находящийся там воздух вытесняет воду так, как это делает стальной корпус. Суммарная плотность же сплава «сталь плюс вложенный воздух» является меньшей, чем плотность воды, хотя плотность стали в одиночку конечно же нет; вот поэтому стальные суда и плавают.

Сила плавучести, между прочим, это не только вопрос вычислений и теории; ее можно легко почувствовать. Поднимите тяжелый камень из воды, и вы почувствуете, как он внезапно увеличился в весе, едва попав на воздух. Опустите в воду большой кусок древесины и попробуйте его утопить; вы увидите, что дерево как бы «сопротивляется» вашим попыткам, — это сила плавучести выталкивает дерево из воды, и вы можете почувствовать ее «своими руками».

Твердые тела, как я уже сказал в начале главы, действуют как единое сплошное целое. Каждый фрагмент твердого объекта крепко сцепляется с любым другим его фрагментом; таким образом, если вы схватили один участок камня и поднимаете его, то поднимается целиком и весь камень. Это свойство фрагментов — сцепляться вместе — называется «когезией» (cohesion — от латинских слов, означающих «сцепляться»).

Поверхностное натяжение

В жидкостях нет ничего подобного когезии твердых тел. Если вы опустите руку в воду, стараясь «зацепить» ее, надеясь на то, что вся жидкость поднимется из сосуда вслед за вашей рукой, вы только намочите пальцы — и все. Однако из этого нельзя заключить, что в жидкостях сила когезии полностью отсутствует. Эта сила в большинстве жидкостей намного меньше, чем в твердых телах, но она не равна нулю. Это наиболее четко можно увидеть, когда мы рассматриваем поверхность жидкости.