Водоизмещение и выталкивающая сила вокруг нас

У людей есть постоянная потребность перемещать предметы. А вода — самое распространенное и загадочное вещество на Земле. Явление выталкивающей силы актуально постоянно, так как облегчает перемещение тяжелых грузов. Как на Земле, так и в необъятном космосе выталкивающая сила предлагает дополнительные возможности. Вероятно, в процессе освоения космоса людям предстоит изучить, как космонавтам снизить нагрузку на органы во время длительного сна в пути к дальним планетам. Выталкивающая сила будет играть важную роль в этом вопросе. Данная работа актуальна, прежде всего, для младших школьников, а также всех, кому интересно, как вода действует на предметы, оказавшиеся в ней.

У большинства людей не возникает интереса к Архимедовой силе и пониманию ее пользы для ученых и простых людей. Также многие ученики сталкиваются с проблемой понимания и усвоения материала по закону Архимеда. Поэтому целью работы является знакомство с выталкивающей силой в форме, доступной даже младшим школьникам.

Для написания данной статьи были изучены источники информации о жизни и об открытиях Архимеда в занимательной форме. На основе полученной информации проведены опыты, демонстрирующие действие закона гидростатики (науки о поведении тел в жидкостях), открытого Архимедом. Для опытов были выбраны подручные предметы и материалы: декоративные детали из металла и пластилина, болты из металла и пластика, оловянный солдатик, шприц, мерные стаканы, безмен, ювелирные весы. По итогам проведенных опытов был выполнен анализ данных, сделаны выводы.

Результаты исследования могут быть использованы учителями и учащимися для:

• популяризации физики среди учащихся;
• изложения материала важного физического закона языком, доступным для широкого круга слушателей, и главное, для младших школьников;
• демонстрации действия закона Архимеда на занятиях по физике.

Ведущий преподаватель кафедры методики обучения физике Российского государственного педагогического университета имени А. И. Герцена профессор Ирина Яковлевна Ланина писала, что «главная задача учителя по физике заключается в пропаганде физических знаний среди группы учеников, которые занимаются физикой по принуждению» [1, с. 163]. Опыты, представленные в работе, могут быть использованы для воспитания интереса к физике в целом.

Историческая справка

Архимед — древнегреческий учёный и инженер. Жил в III веке до нашей эры. Родился и бо́льшую часть жизни прожил в городе Сиракузы на острове Сицилия [2]. По словам историков, Архимед совсем не обращал внимания на свой внешний вид. А когда увлекался работой, вообще забывал обо всем на свете [3].

Архимед сделал много открытий в математических науках, заложил основы механики (науки о движении механизмов), гидростатики (науки о поведении тел в жидкостях). Он сделал ряд важных изобретений. Архимед придумывал полезные машины и механизмы для самых разных целей. Например, чтобы поднимать и перемещать тяжести, осушать затопленные поля, защищать город от врагов [3].

При жизни Архимеда его родной город Сиракузы пытались завоевать римляне. Во время штурма созданные Архимедом устройства привели к поражению целой армии, которая атаковала город с моря и суши. Римляне, надеявшиеся быстро захватить город, были вынуждены отказаться от первоначального плана. Через два года город захватили благодаря изменнику. Во время штурма Архимед был убит [2].

До нас дошла информация о жизни Архимеда из описаний летописцев, живших намного позже самого Архимеда. Вероятно, сведения несколько искажены, приукрашены. Есть несколько легенд, достоверность которых вызывает сомнения. Очевидно лишь, что расчеты действительно были сделаны. Труды Архимеда были основой великих открытий известных математиков и физиков на протяжении многих веков.

История с короной

Одна из самых популярных легенд об Архимеде — история с короной.

Как-то раз правитель города Сиракузы захотел себе корону из чистого золота. Для этого он обратился к мастеру и выдал ему золото для работы. Вскоре корона была готова, но царь не был рад. Его все время мучали сомнения, не обманул ли его хитрый мастер, не добавил ли он другой более дешевый металл.

Царь не знал, как проверить. Зато он был уверен, что в его городе живет человек, который обязательно сумеет найти ответ на любой, даже очень сложный вопрос. Это был Архимед.

Царь поручил Архимеду узнать, из чистого золота сделана корона или нет. Архимед взялся решить задачу, но она была сложнее, чем казалась сначала. Для того чтобы решить её, необходимо было узнать объём короны. А как это сделать? Корона  ведь была очень сложной формы: вся в завитушках, в узорах. Просто измерить её размеры и по ним определить объём не удавалось.

Архимед думал над задачей и когда ел, и когда пил, и даже когда принимал ванну. Однажды Архимед отправился мыться. Он погрузился в воду и тут заметил, что из заполненной доверху ванны на пол вылилась вода, которую вытеснило его тело. В результате размышлений и повторных погружений ученый понял, что объём тела погруженного в воду равен объёму вытесненной воды. В итоге Архимед решил задачу и открыл новый закон, закон Архимеда.

Он так обрадовался, что выскочил из воды и как был, без одежды помчался по улицам родных Сиракуз, крича «Эврика!», что по-гречески значит «нашел».

Теперь задача решалась просто. Архимед взял слиток чистого золота, который весил столько же, сколько корона, опустил его в воду и определил, сколько воды вытеснил слиток. Затем то же самое ученый проделал с короной. Корона вытеснила другое количество воды. Значит, она была не из чистого золота [3].

Закон Архимеда

Мысли, которыми занимал себя Архимед, могут показаться знакомыми большинству из нас. В воде тяжелые тела кажутся легче. Например, наше тело при погружении в ванну. В речке или море мы можем поднимать и передвигать камни, которые на суше нам не сдвинуть с места. В то же время легкие тела сопротивляются погружению в воду: потребуется сила, чтобы утопить мяч.

Интуитивно ясно, что ответ на вопрос, почему одно тело плавает, а другое тонет, тесно связан с действием жидкости на это тело. Нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые тонут: стальная пластинка, конечно, утонет в воде, но если из нее сделать коробочку, то она может плавать. При этом ее вес не изменится [4, с. 4].

Путём логических рассуждений, расчетов и соответствующих экспериментов Архимед сформулировал закон гидростатики, названный его именем. Суть закона сводится к следующему:

На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила. Она равна весу жидкости, которую вытеснило погруженное тело.

Несколько опытов наглядно демонстрируют действие закона Архимеда.

Опыт 1: Повторение опыта Архимеда на подручных предметах

Цель: Наблюдение водоизмещения двумя визуально похожими предметами одинакового веса.

Оборудование: декоративная деталь из металла, декоративная деталь из пластилина, ювелирные весы, 2 мерных стакана с одинаковым количеством воды.

Ход работы:

При осмотре декоративной и пластилиновой деталей сложно сказать, равны ли они по весу, по объему (рис. 1).

Рис. 1. Две детали аналогичные по форме

Для воссоздания условий, в которых работал Архимед, подобран вес пластилиновой детали (рис. 2) так, чтобы он был равен весу металлической (рис. 3), 21,48 г. При этом детали без пустых полостей внутри.

Рис. 2. Взвешивание детали из пластилина

Рис. 3. Взвешивание детали из металла

В мерные стаканы было налито по 300 мл воды (рис. 4).

Рис. 4. Два мерных стакана с одинаковым количеством воды

Погруженные детали в воду изместили разное количество воды: пластилиновая изместила больше воды, чем металлическая (рис. 5).

Рис. 5. Погружение деталей из металла и пластилина в стаканы с одинаковым количеством воды

Выводы: если детали покрасить в одинаковый цвет и взвесить, можно ошибочно предположить, что они из одного материала, из равного количества этого материала. Погружение в воду показало, что они измещают разное количество жидкости, следовательно:

1. предметы имеют разный объем;
2. предметы не могли быть сделаны из одного и того же материала.

Опыт 2: Погружение в воду и взвешивание двух болтов одинаковой формы и размера, но из разного материала

Цель: Наблюдение водоизмещения двумя предметами одинакового размера и одинаковой формы, но из разного материала.

Оборудование: болт стальной, болт полипропиленовый, 2 стакана с одинаковым количеством воды, ювелирные весы.

Ход работы:

Взято 2 болта абсолютно одинаковой формы и размера, но из разных материалов — из стали и полипропилена (рис. 6).

Рис. 6. Два болта одинаковой формы и размера, но из разных материалов

Взято 2 одинаковых стакана с одинаковым количеством воды (рис. 7).

Рис. 7. Два стакана с одинаковым количеством воды

Болты одинакового объема при полном погружении в воду изместили одинаковое количество воды (рис. 8).

Рис. 8. Два болта из разных материалов, помещенные в одинаковое количество воды

Взвешивание показало, что стальной болт весит около 30 граммов (рис. 9), полипропиленовый 4,61 грамма (рис. 10).

Рис. 9. Взвешивание стального болта

Рис. 10. Взвешивание полипропиленового болта

Вывод: при полном погружении водоизмещение зависит от объема предмета, вес не влияет на количество измещенной воды.

Опыт 3: Взвешивание оловянного солдатика в воздухе и в воде

Цель: Наблюдение действия выталкивающей силы воды.

Оборудование: оловянный солдатик, мерный стакан с водой, безмен.

Ход работы:

Взвешивание оловянного солдатика безменом в воздухе показало его вес 75 граммов (рис. 11). Этот же солдатик был погружен в воду так, чтобы он был полностью в жидкости, но не касался дна, и взвешен. Полученный вес 65 граммов (рис. 12).

Рис. 11. Взвешивание оловянного солдатика в воздухе

Рис. 12. Взвешивание оловянного солдатика в воде

Вывод: вес оловянного солдатика в воде меньше, чем в воздухе, так как на него действует выталкивающая сила.

Опыт 4: Взвешивание воды, вытесненной оловянным солдатиком

Цель: Поиск-расчет выталкивающей силы.

Оборудование: оловянный солдатик, мерный стакан с водой, шприц, ювелирные весы.

Ход работы:

В мерный стакан налито 300 мл воды (рис. 13). На весах учтен вес шприца-тары (рис. 14).

Рис. 13. Мерный стакан с водой

Рис. 14. Учет веса шприца-тары на весах

Оловянный солдатик погружен в стакан с водой (рис. 15). С помощью шприца собрана вся измещенная вода (рис. 15, 16). С помощью весов она взвешена (рис. 17). Получено 9,77 грамма.

Рис. 15. Мерный стакан с водой и погруженным в нее оловянным солдатиком

Рис. 16. Вода, измещенная оловянным солдатиком

Рис. 17. Взвешивание воды, измещенной оловянным солдатиком

Вывод: опытным путем найдена величина выталкивающей силы, которая равна весу воды, вытесненной солдатиком, 9,77 гр.

Анализ результатов. Разница веса солдатика в воздухе и в воде:

75 гр. – 65 гр. = 10 гр.

Вес воды, вытесненной солдатиком 9,77 гр.

Разница веса солдатика в воде и в воздухе практически равна весу вытесненной воды, погрешность менее половины грамма:

10 гр. ≈ 9,77 гр.

Опытным путем наглядно и доступно продемонстрировано действие закона гидростатики (закона Архимеда), суть которого сводится к следующему: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила; она равна весу жидкости, которую вытеснило погруженное тело.

На примере декоративной детали, болтов и оловянного солдатика мы убедились, что с помощью водоизмещения можно узнать объем предмета любой формы. Опыт с взвешиванием оловянного солдатика, измерением веса измещенной воды наглядно показал действие и величину выталкивающей силы.

Выражаю благодарность классному руководителю Ксении Евгеньевне за то, что взяла руководство над работой. Мама помогала с оформлением работы, поддерживала меня. Бабушка Оля и дедушка Игорь купили мне почти всё для опытов. Папа помогал с оформлением фотографий. Я всем очень благодарен.

1. Ланина И. Я. Внеклассная работа по физике. — М.: «Просвещение», 1977. — 224 с
2. Информационная статья об Архимеде в интернет-энциклопедии Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%B4
3. Аудиоэнциклопедия. Древняя Греция. Манушкина Наталья, Жаховская Ольга. Детское издательство «Елена». Серия «Детские энциклопедии с Чевостиком». 2007.
4. Бариев Р. Р. Исследование зависимости Архимедовой силы от различных условий, исследовательская работа.  — Казаклар, 2014 — 8 стр. URL: https://infourok.ru/issledovanie_zavisimosti_arhimedovoy_sily_ot_razlichnyh_usloviy_issledovatelskaya_rabota-316169.htm?ysclid=m62g6faztu566996957