Підвісимо гирі до безміном. Пружина розтягнеться і покаже вагу гирі. Не знімаючи гирі з безміна, опустимо її в воду. Чи зміниться показання безміна? Так, вага тіла як би зменшиться. Якщо досвід проробити з кілограмової залізної гирею, то «зменшення» ваги складе приблизно 140 грамів.
У чому ж справа? Адже ясно, що ні маса гирі, ні тяжіння її Землею не могли змінитися. Причина втрати ваги може бути лише одна: на гирю, опущену в воду, діє вгору сила в 140 Г. Звідки ж береться ця виштовхуюча сила, відкрита великим ученим давнини Архімедом? Перш ніж розглядати тверде тіло в воді, розглянемо «воду в воді». Виділимо подумки довільний обсяг води. Цей обсяг має вагу, але на дно не падає. Чому? Відповідь зрозуміла - цьому перешкоджає гідростатичний тиск навколишнього води. Це означає, що результуюча цього тиску в розглянутому обсязі дорівнює вазі води і спрямована вертикально вгору.
Якщо тепер цей же обсяг зайняти твердим тілом, то ясно, що гідростатичний тиск залишиться тим же. Отже, на тіло, занурене в рідину, в результаті гідростатичного тиску діє сила, спрямована вертикально вгору і чисельно рівна вазі витісненої тілом води. Це і є закон Архімеда.
Розповідають, що Архімед лежав у ванні і розмірковував про те, як дізнатися, чи є домішка срібла в золотій короні. Виштовхуючу силу людина чітко відчуває, приймаючи ванну. Закон несподівано відкрився Архімеда, представився в своїй чудовій простоті. З вигуком «Еврика!» (Що означає «знайшов») Архімед вискочив з ванни і побіг в кімнати за дорогоцінною короною, щоб негайно визначити втрату її ваги в воді.
Втрата ваги тіла в воді, виражена в грамах, буде дорівнює вазі витісненої тілом води. Знаючи вагу води, відразу ж визначимо її обсяг, який дорівнює обсягу корони. Знаючи вагу корони, можна відразу ж знайти щільність речовини, з якого вона зроблена, і, знаючи щільності золота і срібла, знайти частку домішки.
Закон Архімеда справедливий, зрозуміло, для будь-якої рідини. Якщо в рідину щільності. занурено тіло обсягу V. то вага витісненої рідини - а це і є виштовхує сила - буде дорівнює? gV.
На законі Архімеда заснована дія простих приладів, контролюючих властивості рідких продуктів. Якщо спирт або молоко розбавити водою, то щільність їх зміниться, а по щільності можна судити про склад. Таке вимір просто і швидко виробляється за допомогою ареометра (рис. 81). Опущений в рідину ареометр занурюється на більшу чи меншу глибину в залежності від її щільності.
Ареометр буде перебувати в рівновазі, коли архимедова сила стане рівній вазі ареометра.
На ареометр нанесені поділки, і щільність рідини прочитується по мітці, яка припадає на рівень рідини. Ареометри, що застосовуються для контролю спирту, називають спиртоміри, для контролю молока - лактометрамі.
Лід плаває на воді. Прийменник «на», втім, тут не цілком доречний. Щільність льоду приблизно на 10% менше щільності води, тому із закону Архімеда слід, що шматок льоду занурений у воду приблизно на 0,9 свого обсягу. Саме ця обставина робить настільки небезпечною зустріч морських суден з айсбергами.
Якщо ваги важелів врівноважені в повітрі, то це не означає, що вони будуть врівноважені і в порожнечі. Закон Архімеда відноситься до повітря в такій же мірі, як і до води. На тіло, що знаходиться в повітрі, діє виштовхуюча сила, рівна вазі повітря в обсязі тіла. В повітрі тіло «важить» менше, ніж в порожнечі. Втрата ваги буде тим більше, чим більший об'єм. Тонна дерева втрачає більше ваги, ніж тонна свинцю. На жартівливе запитання, що легше, є такий же відповідь: тонна свинцю важче тонни дерева, якщо їх зважувати в повітрі.
Втрата ваги в повітрі невелика, поки мова йде про невеликі тілах. Однак зважуючи шматок розміром з кімнату, ми «втратили» б кілька десятків кілограмів. При точному зважуванні поправка на втрату ваги в повітрі повинна враховуватися.
Архимедова сила в повітрі дозволяє будувати повітряні кулі, аеростати та дирижаблі різних видів. Для цього потрібно мати газ легший за повітря.
Якщо кулька об'ємом 1 м 3 наповнити воднем, вага 1 м 3 якого дорівнює 0,09 кг, то підйомна сила - різниця сили Архімеда і тяжкості газу - буде дорівнює:
1,29 кг - 0,09 кг = 1,20 кг;
1,29 кг / м 3 - щільність повітря.
Значить, до такого кулі можна підвісити близько кілограма вантажу, і це не завадить йому полетіти за хмари.
Ясно, що при відносно невеликих обсягах - в кілька сот кубічних метрів - водневі кулі здатні підняти в повітря значний вантаж.
Серйозний недолік водневих аеростатів - горючість водню. Разом з повітрям водень утворює вибухову суміш. В історії створення аеростатів відзначені трагічні випадки.
Тому коли був знайдений гелій, їм стали заповнювати повітряні кулі. Гелій в два рази важче водню і підйомна сила наповненого ним кулі менше. Однак чи буде ця різниця істотно? Підйомна сила кулі в 1 м 3. наповненого гелієм, знайдеться як різниця 1,29 кг - 0,18 кг = 1,11 кг. Підйомна сила зменшилася всього лише на 8%. У той же час гідності гелію очевидні.
Аеростат був першим апаратом, за допомогою якого люди піднялися в повітря. Аеростати з герметично закритою гондолою для дослідження верхніх шарів атмосфери застосовуються до теперішнього часу. Вони називаються стратостата. Стратостата піднімалися на висоту більше 20 км.
В даний час широко застосовуються повітряні кулі, забезпечені різної вимірювальною апаратурою і оповіщають про результати своїх вимірів по радіо (рис. 82). Такі радіозонди несуть на собі мініатюрний радіопередавач з батарейками, який повідомляє умовними сигналами про вологості, температури і тиску атмосфери на різних висотах.
Можна відправити некерований аеростат в далеку подорож і досить точно визначити, де він приземлиться. Для цього треба, щоб аеростат піднявся на велику висоту, близько 20-30 км. На цих висотах повітряні течії дуже стійкі, і шлях аеростата може бути розрахований заздалегідь досить добре. При необхідності можна автоматично змінювати підйомну силу аеростата, випускаючи газ або скидаючи баласт.
Раніше для повітряних польотів застосовували аеростати, на яких було встановлено мотор з гвинтом. Таким аеростата - їх називають дирижаблями (що означає «керовані») - надавали обтічну форму. Дирижаблі не витримали конкуренції з літаками; в порівнянні навіть з літаками 30-річної давності вони громіздкі, незручні в управлінні, повільно рухаються, мають «низька стеля». Втім є думка, що для вантажних перевезень дирижаблі можуть виявитися вигідними.
Поділіться на сторінці