12. Закон Архимеда. Условия плавучести погруженных тел
Следует выяснить условия равновесия погруженного в жидкость тела и следствия, вытекающие из этих условий.
Сила, действующая на погруженное тело – равнодействующая вертикальных составляющих Pz1, Pz2,т. е.:
Pz1 = Pz1 – Pz2 = ρgWТ. (1)
где Pz1, Pz2 – силы направленные вниз и вверх.
Это выражение характеризует силу, которую принято называть архимедовой силой.
Архимедовой силой является сила, равная весу погруженного тела (или его части): эта сила приложена в центр тяжести, направлена вверх и количественно равна весу жидкости, вытесненной погруженным телом или его частью. Мы сформулировали закон Архимеда.
Теперь разберемся с основными условиями плавучести тела.
1. Объем жидкости, вытесненной телом, называется объемным водоизмещением. Центр тяжести объемного водоизмещения совпадает с центром давления: именно в центре давления приложена равнодействующая сил.
2. Если тело погружено полностью, то объем тела W совпадает с WТ, если нет, то W < WТ, то есть Pz = ρgW.
3. Тело будет плавать только в том случае, если вес тела
GТ = Pz = ρgW, (2)
т. е. равен архимедовой силе.
4. Плавание:
1) подводное, то есть тело погружено полностью, если P = Gт, что означает (при однородности тела):
ρgW = ρтgWТ, откуда
где ρ,ρТ – плотность жидкости и тела соответственно;
W– объемное водоизмещение;
WТ – объем самого погруженного тела;
2) надводное, когда тело погружено частично; при этом глубину погружения низшей точки смоченной поверхности тела называют осадкой плавающего тела.
Ватерлинией называют линию пересечения погруженного тела по периметру со свободной поверхностью жидкости.
Площадью ватерлинии называется площадь погруженной части тела, ограниченной ватерлинией.
Линию, которая проходит через центры тяжести тела и давления, называют осью плавания, которая при равновесии тела вертикальна.