В данной статье рассматривается зависимость архимедовой силы, действующей на тело в жидкости (воде), от температуры. При проведении различных лабораторных работ, связанных с архимедовой силой, действующей на тело в жидкости (воде), необходимо учитывать температуру жидкости (воды).
Ключевые слова: архимедова сила, температура, плотность жидкости, коэффициент объёмного расширения, объём, вода
Известно, что архимедова сила зависит от плотности жидкости и объёма погруженной части тела, и это доказано экспериментально. Различные лабораторные работы выполняются в кабинете физики при температуре от 20°С до 25°С. Ведь известно, что плотность жидкости зависит от её температуры. В лабораторных работах, связанных с жидкостью (например, водой), при расчётах плотность принимается 1000
.
Как правило, при уменьшении температуры жидкости её плотность увеличивается. Но есть вещество, чья плотность ведёт себя по-другому — это вода. Все природные материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Единственным исключением из этого правила является вода. Вода имеет наибольшую плотность при температуре +4°С, при которой один литр воды имеет массу один килограмм. Если вода нагревается или охлаждается относительно этой критической точки, её объём увеличивается, что означает уменьшение плотности, то есть вода становится легче.
А теперь проверим экспериментальным путём зависимость архимедовой силы от температуры воды.
- Подвесим к рычагу два одинаковых тела, добиваемся равновесия и погружаем одно тело в воду комнатной температуры, а второе — в воду с температурой выше комнатной.
Наблюдаем нарушение равновесия: в воде комнатной температуры тело выталкивается сильнее.
- Подвесим к рычагу два одинаковых тела, добиваемся равновесия и погружаем одно тело в воду комнатной температуры, а второе — в воду с температурой ниже комнатной.
Наблюдаем нарушение равновесия: в воде с температурой ниже комнатной тело выталкивается сильнее.
Вывод: таким образом, архимедова сила зависит от температуры воды.
«Жидкости расширяются значительно сильнее твёрдых тел. Они также расширяются во всех направлениях. Объёмное расширение жидкостей характеризуется коэффициентом объёмного расширения β в данном интервале температур.
Объём жидкости при температуре t определяется формулой:
(1)
где V0 — первоначальный объём жидкости при температуре t0,
V — объём жидкости при температуре t,
β — коэффициент объёмного расширения жидкости,
∆ t = t — t0 — изменение температуры жидкости» 1, с. 187.
При нагревании жидкости изменяется не только её объём, но и плотность. Учитывая, что объём и плотность пропорциональны друг другу, то есть
,
тогда выражение (1) примет вид:
(2)
На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая (архимедова) сила, которая выражается формулой:
, (3)
где ρ — плотность жидкости при данной температуре,
g = 9,81 Н/кг — ускорение свободного падения,
VТ — объём тела, погруженного в жидкость.
Рассчитаем архимедову силу при следующих известных физических величинах: тело (алюминиевый цилиндр) объёмом V=17,34∙10–6м3, g = 9,81 Н/кг и ρ=1000 – плотность воды при температуре t = 4°С.
Подставив численные значения физических величин в выражение (3), получим:
.
Таким образом, архимедова сила для данного тела при температуре 4°С, равна 0,1701 Н.
А теперь рассчитаем архимедову силу при температуре воды, равной 25°С. При данной температуре коэффициент объёмного расширения воды возьмём из справочника 2, с. 112: β = 302∙10–6С-1.
Используя выражения (2) и (3), численные значения физических величин, получим:
.
Таким образом, архимедова сила для данного тела при температуре 25°С, равна 0,169 Н:
Сравним полученные значения архимедовой силы, воспользовавшись отношением:
.
Вывод: с увеличением температуры воды архимедова сила уменьшается.
Литература:
- Яворский Б. М., Селезнёв Ю. А. Справочное руководство по физике. Москва. 1975. с. 187.
- Енохович А. С. Справочник по физике и технике. // Просвещение. Москва. 1989. с. 112.
