Закон Архимеда и плавание тел

Пусть тело произвольной формы полностью погружено в жидкость (рис. 17). Выделим цилиндрическую часть этого тела с бесконечно малой площадью поперечного сечения.

Рис. 17. К определению гидростатической подъемной силы

Сила давления, действующая на цилиндрическую часть тела:

, (52)

где	,	- давления, действующие на верхнее и нижнее основания цилиндра, Па;
		- площадь верхнего и нижнего оснований цилиндра, м2.

Из основного закона гидростатики следует

, (53)

где	,	- глубина погружения верхнего и нижнего оснований цилиндра, м;
		- плотность жидкости, в которой расположено тело, .

Для силы давления, действующей на тело произвольной формы можно написать

, (54)

Полученный результат представляет собой математическое выражение закона Архимеда:

На тело, погруженное в жидкость, действует поддерживающая (гидростатическая подъемная) сила, направленная вверх и численно равная силе тяжести вытесненной жидкости.

Точка приложения гиростатической подъемной силы - центр давления (точка D).

Плавание тел в жидкости определяется величиной двух сил: силы тяжести и гидростатической подъемной силы.

Сила тяжести тела

, (55)

где

- плотность тела.

Сила тяжести тела приложена в его центре тяжести (точка С), если сила тяжести тела больше гидростатической подъемной силы, то оно тонет, а если - всплывает. Когда эти две силы равны , тело плавает на поверхности.

Остойчивость тел

Различают остойчивость тел, полностью погруженных в жидкость (подводное плавание), и остойчивость тел, плавающих на свободной поверхности жидкости (надводное плавание).

Точка приложения силы тяжести тела называется центром тяжести тела и обозначается буквой .

Центр водоизмещенияили центр давлениярасполагается в центре тяжести объема водоизмещения и обозначается буквой .

Условно считают, что подъемная сила приложена в центре давления, т.е. в точке .

В общем случае центр тяжести и центр давления не совпадают.

Линия, проходящая через центр тяжести тела и центр водоизмещения и соответствующая нормальному положению тела, называется осью плавания(рис. 18).

		р0		р0
		р0

Рz

Рz

Рz

Рис. 18. К вопросу об остойчивости тел

Условия остойчивости сводятся к следующим основным положениям:

· если пара сил (вес тела и подъемная сила ) при крене тела стремится уменьшить крен и вернуть тело в первоначальное положение, то такое положение будет остойчивым;

· если пара сил (вес тела и подъемная сила ) стремится этот крен увеличить, то положение тела будет неостойчивым.

Рассмотрим три случая остойчивости тел, погруженных в жидкость:

1) центр тяжести тела находится ниже центра водоизмещения (рис. 18, а). В этом случае образуется пара сил, стремящаяся после крена вернуть тело в первоначальное положение; следовательно, имеет место остойчивое равновесие;

2) центр тяжести тела находится выше центра водоизмещения (рис. 18, б). В этом случае образуется пара сил, которая стремится увеличить крен тела; следовательно, имеет место неостойчивое равновесие;

3) при совпадении центра тяжести и центра водоизмещения (рис. 18, в). Пара сил отсутствует, и имеет место случай безразличного равновесия, при котором тело будет сохранять заданное ему положение.