Повний закон Архімеда
Ми живемо в світі, де вік географічних відкриттів в світі може змінитися століттям відкриттів в самому собі. Для нових відкриттів в навколишньому світі не потрібно готувати експедиції в незвідані країни. Сама незвідана країна це сама людина. Кожен з Вас може зробити дивовижні відкриття, і для цього не потрібно володіти ні особливими знаннями, ні потужним обладнанням. Потрібно лише трохи уважніше подивитися на оточуючий нас світ, бути трохи більш незалежним у своїх судженнях, і відкриття не змусять себе чекати. Небажання більшості людей пізнавати навколишній світ залишає великий простір допитливим в найнесподіваніших місцях.
Фізика це одна з основних наук, що вивчають природу. За своїм визначенням це точна наука. Але закони фізики пишуть люди, і іноді їм простіше не описувати фізичний зміст законів, а старанно йти від цього. Природно, при вивченні законів, складених таким чином, можливо тільки механічне запам'ятовування теоретичного матеріалу разом з помилками. Іноді процес клонування помилок в основних законах фізики триває тисячі років. Підключення логіки для засвоєння таких знань абсолютно марно. Може бути, тому деяким учням, цілком успішним у вивченні інших предметів, з таким трудом дається фізика?
Для прикладу розглянемо формулювання одного з основних законів фізики - закон Архімеда. Закон Архімеда це перший закон фізики, і він за 23 століття свого існування мав бути вивчений до ідеального стану, однак цього не сталося. Закон Архімеда описує дію рідин і газів на занурене в них тіло, і є основним законом розділу фізики аерогідростатікі. Однак закон Архімеда не тільки не доведений до ідеального стану, але навіть ще не сформульований. В цьому законі відсутня як формулювання, так і основне рівняння, без чого фізичних законів не буває.
Всім відома формулювання: «на всяке тіло, занурене в рідину, діє виштовхуюча сила, спрямована вгору і рівна вазі витісненої рідини» є формулюванням правила Архімеда для визначення сили, що виштовхує. За описом закону Архімеда в підручниках фізики можна провести розрахунок Архимедовой сили для рідин і газів, але що потім з цією силою робити? Для вирішення практичних завдань знання тільки Архимедовой сили марно.
Якщо нам потрібно вирішити задачу по закону Архімеда, і дізнатися, що станеться з тілом, зануреним в рідину, потрібен алгоритм вирішення задач. Більш того, в описі закону Архімеда не вистачає даних. Для того, щоб дізнатися, що станеться з тілом, потрібно ще знати обсяг тіла і його вагу.
Алгоритм рішення задач по закону Архімеда НЕ викладено в підручниках при описі самого закону, його пропонується засвоїти рішенням великої кількості прикладів, де показується буквально на пальцях, що робити з Архимедовой силою в одному випадку, а що в іншому. Цей підхід значно ускладнює як викладання закону Архімеда, так і його засвоєння. Чи не простіше один раз вивести формулу закону Архімеда, і вирішувати всі завдання одним способом, за одним алгоритмом.
Для виведення формули повного закону Архімеда розглянемо загальний випадок тіла, зануреного в виштовхуючу середу.
На це тіло діють три сили:
Перша сила у формулі - архимедова сила. рівна вазі витісненої середовища.
Але є ще третя сила. не надто відома в теорії. Це архимедова сила, яка не задіяна для плавання тіл - запас плавучості. У суднобудуванні ця величина називається вантажопідйомністю.
Якщо до тіла, в повному обсязі зануреному в виштовхуючу середу, додати вагу, по величині рівний. тіло повністю зануриться.
В цьому випадку тіло буде врівноважено в виштовхує середовищі, і ми можемо написати основне рівняння закону Архімеда.
Де - максимально можлива архимедова сила (в суднобудуванні називається водотоннажністю),
- архимедова сила, яка використовується для плавання (дорівнює вазі судна Р).
- запас плавучості (в суднобудуванні називається вантажопідйомністю).
У повному обсязі зануреного тіла запас плавучості.
Основне рівняння (формулу) закону Архімеда можна також скласти відносно ваги зануреного тіла. рівного і протилежної архимедовой силі. але сенсу це не змінює.
Фізичне визначення повного закону Архімеда можна вивести з його основного рівняння: максимально можлива архимедова сила зануреного тіла дорівнює сумі сили Архімеда і запасу плавучості. Вона також дорівнює вазі рідини в усьому обсязі тіла і протилежно йому направлена.
Без обліку запасу плавучості неможливо дізнатися кінцевий результат занурення тіла в виштовхуючу середу. Саме її величина визначає поведінку зануреного тіла в виштовхує середовищі:
1) При занурене тіло висить нерухомо, або зберігає напрямок свого руху (при відсутності інших сил).
2) При. занурене тіло спливає (при відсутності інших сил).
3) При. занурене тіло тоне (при відсутності інших сил).
Будівельники кораблів на практиці давно зрозуміли, що закон Архімеда для плавання тіл не повний. Вони ввели в закон Архімеда для плавання суден поняття водотоннажності, що має сенс максимально можливої сили, що виштовхує. вантажопідйомності. і власної ваги корабля. рівного архимедовой силі і протилежно їй спрямованого.