Тонущие тела: вес против максимальной выталкивающей силы
1 · Прогноз
Металлический груз бросают в воду, и он ложится на дно полностью погружённым. Раз он уже полностью под водой, меняет ли утяжеление степень его погружения?
- Более тяжёлый груз погружается ещё сильнее (свыше 100%).
- Он уже полностью погружён (100%), поэтому большая масса не может погрузить его глубже.
- Более тяжёлый груз погружается меньше, потому что падает быстрее.
2 · Подготовка
- Откройте пресет погружения и нажмите «Сброс». Груз опускается сквозь воду и ложится на дно резервуара.
- Включите датчик погружённой доли на грузе.
- Задайте массу груза для каждой пробы, дайте ему успокоиться и запишите его погружённую долю.
3 · Сбор данных
| Масса груза m (kg) | Вес mg (N) | Погружённая доля |
|---|---|---|
| 3.00 | ||
| 4.00 | ||
| 5.00 |
Постройте погружённую долю (ось y) против веса (ось x) для трёх проб.
4 · Анализ
- Вычислите полный объём груза по его радиусу (0.4 m) и максимально возможную выталкивающую силу ρ·g·V_full при плотности воды 1000 kg/m³. Сравните с весом каждой пробы.
- Объясните, почему погружённая доля остаётся на пределе 1.0 (100%), когда вес превышает максимальную выталкивающую силу, независимо от того, насколько тяжелее становится груз.
5 · Развитие
- Максимальная выталкивающая сила этого груза около 24.6 N — любая масса ниже примерно 2.5 kg всплыла бы. Сравните с экспериментом плавания: что определяет, плавает тело или тонет?
- Морская вода плотнее пресной. Груз, полностью погружённый в пресной воде, обязательно ли полностью погрузится в морской? Объясните по формуле выталкивающей силы.
Физика этого эксперимента
Закон Архимеда (на максимуме)
Наибольшая выталкивающая сила, которую тело может когда-либо получить, — ρ·g·V_full: вес жидкости, которую оно вытеснило бы при полном погружении. Как только вес тела превышает этот предел, оно тонет и остаётся полностью погружённым; добавление массы не может погрузить его глубже, потому что он уже вытесняет весь свой объём.