Содержание
Все жидкости являются жидкостями, но, что интересно, не все жидкости являются жидкостями. Все, что может течь - например, газ - является жидкостью и может создавать плавучую силу. Плавучесть возникает, когда области более высокого давления под объектом оказывают усилие вверх в направлении областей более низкого давления. Однако величина выталкивающей силы, которую оказывает жидкость, определяется объемом объектов и в соответствии с принципом Архимеда.
Паскаль и Давление
Прежде чем вы сможете понять, как различия в давлении жидкости могут повлиять на плавучесть, вам необходимо сначала понять, как давление ведет себя в жидкостях. Принцип Паскаля гласит, что когда давление изменяется в любом месте замкнутой системы, это изменение давления будет одинаково ощущаться в каждой точке этой системы и во всех направлениях. Этот принцип позволяет гидравлическим системам функционировать. Это также диктует, что в теле жидкости, где нет никаких дополнительных факторов, влияющих на давление, давление останется постоянным и ровным. На Земле, однако, обычно есть, по крайней мере, одна другая сила, которая вызывает изменение давления жидкости, и эта сила - сила тяжести.
Глубина и разница
Гравитация тянет вниз на все, что имеет массу. Поэтому, когда сила тяжести тянет вниз на теле жидкости, вес жидкости в верхних частях тела накапливается на жидкости в нижних частях, создавая степень увеличения давления при перемещении вниз внутри этой жидкости. Например, если вы погрузитесь глубоко в озеро, вы почувствуете усиливающееся давление в ушах - и, возможно, даже на свое тело - чем глубже вы погружаетесь. Если вы перестанете плавать вниз, более высокое давление ниже вас отодвинет вас назад в область более низкого давления. Таким образом, гравитация создала динамику давления, которая диктует, что под погруженным объектом всегда будет большее давление, чем над ним.
Архимед и Сумма
Греческий философ и математик Архимед продвинул это понимание давления на один шаг вперед и понял, почему жидкость придает определенное количество восходящей силы к объекту и заставляет его подниматься и плавать или опускаться. Он определил, что направленная вверх сила равна весу воды, вытесненной погруженным предметом. Например, вода весит один грамм на кубический сантиметр. Если вы погрузите шарик объемом 25 кубических сантиметров, у вас будет вытеснено 25 граммов воды. Следовательно, результирующая сила плавучести на этом шаре составит 25 Ньютонов (ньютоны - это единицы измерения силы). Однако эта выталкивающая сила всегда основана на массе вытесненной воды, а не на массе объекта.
Плотность как решающий фактор
В конечном счете, плотность является фактором, который определяет, будет ли объект плавать, тонуть или оставаться нейтрально плавучим в жидкости. Например, если этот шарик 25 кубических сантиметров полый и заполнен воздухом, он будет легче, чем 25 грамм воды, которые он вытеснил, и будет плавать. Если шар сделан из более плотного материала, такого как железо, он может быть намного тяжелее и быстро опускаться на дно водоема. Однако, если вы погрузите шарик, который весит ровно 25 грамм, выталкивающая сила не поднимет его на поверхность, а просто не даст ему утонуть. Этот шар будет оставаться нейтрально плавучим в теле жидкости, пока на него не будет действовать внешняя сила.