XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Принципиальные ошибки при измерении веса тела в жидкости
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Не так прост закон Архимеда, как кажется, так как изучают его уже более 2300 лет и до конца пока не поняли. Как говорят в народе «что просто то и хитро, и простое бывает сложным». Казалось всем раньше, что самоё простое - это измерение веса тела в жидкости, однако же, и в наши дни идут споры о том, что принять за вес тела в жидкости и теряется ли часть веса тела, погруженного в жидкость. Так, например, немецкий ученый Alexander Stumpf утверждает [2], что «Ошибка Архимеда заключается в том, что тело, погруженное в воду, имеет не кажущуюся потерю веса, а уменьшается в действительности вес тела. Это изменение веса тела можно измерить с помощью пружинных весов, рис.1., то есть в воздухе тело имеет один вес (P1), а в воде это же тело имеет другой вес (P2).Разница в весе тела в воздухе и в воде может быть вычислена по предложенному Архимедом определению. Эта разница равна весу вытесненной телом воды.
Рис.1. .
Принципиальное отличие моей[2] формулировки закона Архимеда заключается в том, что как таковой выталкивающей силы Архимеда в природе не существует. Это всего лишь вымышленная (мнимая сила) или разница в гравитационной силе, действующей на тело находящееся в воздухе и в воде (Pw = P1 - P2).
Архимедова сила не может действовать против силы веса тела, так как вес тела, измеряемый пружинными весами, есть результирующая всех сил действующих на него (в том числе и выталкивающей силы, если мысленно допустить, что она действительно существует). Пружинные весы не обманешь. Вес тела, измеренный пружинными весами - это гравитационная сила. Закон Архимеда был настолько прост, и имел настолько большое практическое значение в жизни людей, что люди безоговорочно приняли его на веру Сторонники классической физики пытаются утверждать, что на тело, обладающее определенным весом, действует еще и выталкивающая сила Архимеда. Это в корне неверно! Однако в школе это преподают и по сей день!!!Естественно, что это приводит к нестыковкам (парадоксам) в теоретической физике. Очень наглядно такой парадокс просматривается в классической задаче рассмотренной Я. И. Перельманом. Разбор решения задачи "Что тяжелее - тонна дерева или тонна железа?" вы можете посмотреть нажав мышкой на ее название». (А Штумпф, Германия. Вес тела и закон Архимеда, :форум МГУ («Новые теории в физике»), Архив 2003-2005г)).
Alexander Stumpf сильно ошибается, заявляя, что выталкивающей силы Архимеда в природе не существует. Ошибка же его заключается в методе измерения веса тела в жидкости с использованием пружинных весов, рис.1, без учёта реакции опоры (Земли). Аналогичные ошибки просматриваются и в решении отдельных задач по гидростатике, например, решение задачи 30.2 «Сколько весит тело в воде»[3].
Целью данной исследовательской работы является анализ ошибок в решениях задач гидростатики, связанных с весом тела в жидкости, и поиск решений по их устранению с учетом действия на погруженное в жидкость тело неизвестной ранее из уровня техники силы – реакции силы Архимеда, открытой авторами [4].
Основная часть работы
1. Анализ решения задачи «Сколько весит тело в воде».
Решение задачи 30.2. «Сколько весит тело в воде», изложено в учебнике физики[3], (копия текста решения ниже прилагается):
Задача 30.2. «Камень массойт = 2,0 кг на нити опустилив стакансводой,некасаясьстенокидна сосуда. Найдите силу натяжения нити, если объём камня V = 0,80л, плотностьводы ρж=1000кг/м3;
Рис.2. Схема сил, действующих на тело в жидкости висящем на нити.
Решение.Изобразимвсесилы,действующиенакамень:mg–силатяжести; T–силанатяжениянити;FA–силаАрхимеда, рис.2. Посколькукаменьнеподвижен,равнодействующаявсех силравнанулю, следовательно,суммавеличинсил,направленныхвверх,равнавеличинесилы, направленнойвниз FA+ Т =mg.; ПеренесемFAвправуючастьравенства,получим: Т=mg–FA. Согласно формуле FA=ρжgV, Т=mg–ρжgV. Плотность жидкости в нашем случае – это плотность воды:ρж=1000кг/м3.Подставимчисленныезначения: Т=mg–жgV=(2,0кг)(9,8Н/кг)–(1000кг/м3)(9,8Н/кг)(0,8010–3м3)=11,76Н12Н.
Ответ: Т =mg– жgV 12Н. Т=mg–FA;
Вспомним, что вес – это сила, с которой тело действуетна опору или подвес. Если нить действует на камень с силойТ, то и камень по 3-му закону Ньютона действует на нить стакой же по величине и противоположной по направлениюсилой. Следовательно, сила натяжения нити в данном случаеравна по величине весу камня. А значит, по формулевычисляется вес тела, целиком погруженного в жидкость или газ. Заметимтакже,чтоеслиплотностьтеларавнаρт,тоего массат=ρтV,и формулу (30.2)можнозаписатьввиде: TmgжgVтVgжgVVg(тж)».
Ознакомившись с решением задачи, авторы данной работы считают, что в решении нет полного научно обоснованного ответа на поставленный вопрос о весе тела в жидкости (воде). В условии задачи ясно указано, что масса камня т= 2,0 кг, то есть вес камня в воздухе равен 20Н., а в ответе задачи указан вес камня в воде лишь 12Н. без каких - либо пояснений о потере части веса тела. Соответственно, возникает вопрос, где же прячутся остальные 8Н веса камня? Известно, что где бы не прятался этот камень в пределах зоны земного притяжения на суше или в жидкости (состояние покоя), его масса m и вес Т будут постоянны, то есть Т = mg = 20Н. Кроме этого, из рисунка задачи видно, что на тело в воде действуют только три, а не четыре силы:.T–силанатяжениянити, FA–силаАрхимеда и mg–силатяжести, что противоречит законам механики и законам Ньютона. В решении задачи указывается, что «посколькукаменьнеподвижен,равнодействующаявсех силравнанулю.Следовательно,суммавеличинсил,направленныхвверх,равна величине силы, направленной вниз». Такое утверждение ошибочное, так как одна из сил – сила Архимеда - не имеет опоры (реакции), а, значит, система сил, действующих на тело в жидкости, не будет уравновешена. Из решения следует, что Т=mg–FA = 20Н – 8Н = 12Н, значит, тело в воде потеряло часть своего веса, но этого быть не может, так как вес любого физического тела, обладающего массой в пределах гравитационного поля Земли, остаётся постоянным, то есть, вес камня 20Н величина постоянная и равна mg. Куда же пропали в решении задачи 8Н веса камня в воде?- рассмотрим ниже.
2. Инновационный подход к определению веса тела в жидкости с учётом действия вновь открытой силы – реакции силы Архимеда
В данной исследовательской работе, где рассматривается действие вновь открытой авторами силы - реакции силы Архимеда, неизвестной из уровня техники ранее [4], дан инновационный, научно обоснованный ответ на поставленный выше вопрос о весе тела в жидкости. Понятие « реакция силы Архимеда RА» из уровня техники является новым, ранее неизвестным, ни в каких теоретических исследованиях не упоминаемым и, по мнению авторов, является «открытием», рис.3., (ЭВРИКА)… Получен патент №2663551 «Универсальный прецизионный плотномер жидких сред»[5], а также опубликованы в Бюл. № 2 ФИПС, 2018г две заявки на выдачу патентов «Способ измерения выталкивающей силы жидкости»[6] и «Способ и устройство определения пробы благородных металлов»[7], опубликована статья «Способ измерения веса плавающего судна на электронных весах» и др., где изложено практическое применение вновь открытой силы - реакции силы Архимеда.
Рис. 3. Новая схема сил, действующих на тело в жидкости: где: 1 – условная, абсолютно жесткая (не деформируемая) горизонтальная плоскость, равная площади всего дна сосуда (водоёма); 2 - силы, равномерно распределенные по всей площади дна сосуда (водоёма), возникающие от давления реакции силы Архимеда Rа на условную плоскость.
Как видим из рис.3, на погруженное в жидкость тело действуют сила веса, выталкивающая сила жидкости, реакция дна сосуда и реакция силы Архимеда, направленная вниз. То есть, чтобы на тело действовала активная сила Архимеда РА, направленная вверх, необходимо на что-то опереться и от чего - то оттолкнуться. Как видим, рис.3., «Водяной» ногами опирается на условную жесткую горизонтальную плоскостьс силой RA, которая равномерно распределяет усилие RA = РА по всей площади дна, а руками толкает с силой РА тело вверх. Это значит, что при измерении веса тела в жидкости, можно составить уравнение действующих на тело сил, куда входит и реакция силы Архимеда. При RДЖ PЖ = 0, уравнение сил, рис.3., запишется так: РА + RG = G + RА; или: RА = РА + RG G: где: РА - сила Архимеда; RА - реакция силы Архимеда; RG – реакция дна сосуда на действие силы тяжести тела; G – сила тяжести тела; РЖ - сила тяжести жидкости, действующая на поверхность дна сосуда (водоёма); RДЖ - реакция дна на действующую силу тяжести жидкости в сосуде. Чтобы лучше понять действие сил на тело в жидкости, проанализируем процесс погружения тела в сосуд с водой, установленный на чашу весов №1, рис.4. На весах №2 установлен штатив с лебёдкой для подъёма и опускания тела в сосуд с водой и взвешивания его как в воздухе, так и в воде. Вес штатива на весах №2 принят равным нулю. Уровень воды перед погружением тела всегда один и тот же и равен Н. Под весами нанесены оси Х и У. На оси Х указываются действующие на чашу весов силы, а на оси У – глубина погружения тела. Вес тела фиксируется также пружинным динамометром.
а) б) в)
Рис.4. Исследование действующих сил при погружении тела в сосуд с водой:
На рис.4а, весы №2 указывают вес тела GT в воздухе,. Весы №1 фиксируют вес воды GB перед погружением тела, где уровень воды в сосуде Н. Пружинныйдинамометр указывает на вес тела в воздухе, то есть, силу натяжения нити Т. По мере погружения тела на дно сосуда, строятся графики действующих на чаши весов сил, рис.4б, рис.4в.
2.1. Погружение тела в сосуд без отлива воды;
Погружение тела проводится как в сосуд без отлива вытесненной телом жидкости, так и в отливной сосуд, чтобы выявить влияние изменения уровня жидкости при погружении тела, на величину действующих сил на чаши весов №1, №2 и №3. Так, например, анализ сил, рис.4б, показывает, что при погружении тела в сосуд без отлива воды, уровень её повышается на величину h при полном погружении тела. Показания весов №2 и динамометра (силы натяжения нити Т), при погружении тела уменьшаются пропорционально весу объёма вытесненной телом воды, что говорит об активном действии на тело выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда), направленной вверх. На графике, рис.4б, сила Архимеда указана сиреневым четырёхугольником, который как - бы изъят из графика веса тела, измеряемого весами №2, и перенесён на весы №1, но с обратным знаком, уменьшая натяжение нити Т, что хорошо видно из показаний динамометра. Давление же на чашу весов №1 при этом увеличивалось пропорционально весу объёма вытесненной телом воды, на что указывает жёлтый четырёхугольник на графике сил, рис.4б, но вес воды в сосуде GB при этом оставался неизменным, то есть GB = mg = constant, так как объём и масса воды в сосуде постоянные. Особо следует отметить, что в учебниках физики сегодня объясняют это явление тем, что «раз уровень жидкости в сосуде при погружении тела повысился, значит, увеличилось и гидростатическое давление на дно сосуда, а, значит, вес воды увеличился [3] . Авторы считают такие выводы ошибочными и ничем не подтверждённые. В действительности же давление на чашу весов №1 увеличивается при погружении в сосуд тела за счет действия на дно сосуда, а, соответственно, и на чашу весов, вновь открытой авторами силы – реакции силы Архимеда, равной по модулю силе Архимеда, но противоположно ей направленной (желтый четырехугольник, рис.4б).
На рис.4в, указаны действия сил на тело, полностью погруженное и прижатое ко дну сосуда, где натяжение нити Т равно нулю. Как видим, графики сил при погружении тела до точки соприкосновения его с дном сосуда, остались такие же, как и на рис.4б. Но, как только вес тела в жидкости, равный (GT – PA) начинает непосредственно давить на дно сосуда, обе силы (сила Архимеда и реакция силы Архимеда) оказываются приложенными к одному и тому же телу - дну сосуда. Равнодействующая этих сил при этом становится равной нулю и весы №1 фиксируют точный суммарный вес тела GT и воды Gв, который можно найти из уравнения сил, действующих на тело, прижатое ко дну сосуда, рис.4в.:
GВ + GТ + RА – PА = Rвес (показания весов).
Это значит, что когда тело лежит на дне сосуда с водой, действие сил RA – PA= 0 ивес тела будет равен GT= Rвес – GB. Если обнулить вес сосуда с водой перед погружением тела на дно сосуда, стоящего на чаше весов, то весы покажут истинный вес тела Rвес = GT., то есть, вес тел можно точно измерять путём погружения на дно сосуда с жидкостью, установленного на весах. Важно отметить, что вес тела будет точно измерен даже тогда, когда в объёме тела имеются пустоты, которые увеличивают объём тела и выталкивающую силу Архимеда. Однако же, с увеличением силы Архимеда, увеличивается и реакция силы Архимеда, поэтому на истинный вес тела, лежащего на дне сосуда с жидкостью, это никак не скажется. Важно отметить, что действовать сила Архимеда и реакция силы Архимеда на погруженное в жидкость тело будут всегда не зависимо от места расположения тела в объёме жидкости (лежащем на дне сосуда без подтекания или с подтеканием под тело жидкости, или же висящем на стенках сосуда), что подтверждается и теорией, и экспериментами.
2.2. Погружение тела в отливной сосуд с водой.
На рис. 5. показан пример погружения тела в отливной сосуд с водой, где, весы №2, рис.5а, указывают вес тела GT в воздухе, а весы №1 фиксируют вес воды GB перед погружением тела в сосуд, где уровень воды до горловины равен так же Н. Пружинныйдинамометр указывает на вес тела в воздухе и силу натяжения нити ТН. Суммарный вес тела и воды равен GT + GB=constant в процессе всего исследования. На рис.5б, показан процесс погружения тела в отливной сосуд с водой и представлены графики изменения действующих сил на чаши весов №1, №2 и №3. Как следует из рис.5б, при погружении в сосуд тела вытесненная вода перетекает в емкость на весах №3. Анализ сил, рис.5б, показывает, что при погружении тела в отливной сосуд, уровень воды остаётся постоянный и равен Н.
а) б) в)
Рис.5. Исследование действующих сил при погружении тела в отливной сосуд.
Показания весов №2 и силы натяжения нити Т при погружении тела уменьшаются пропорционально весу объёма вытесненной телом воды, что говорит об активном действии вверх выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда), указанной на графике сиреневым четырёхугольником, который, условно, изъят из графика веса тела, измеряемого весами №2, и перенесён на весы №1, но с обратным знаком, уменьшая натяжение нити Т, что видно из показаний динамометра. Однако же, показания весов №1 нисколько не изменялись при погружении тела в воду и постоянно показывали величину прежнего начального веса воды, который был до погружения тела в сосуд. Соответственно, возникает вопрос: каким же образом компенсируется вес отлитой воды из сосуда №1 в емкость на весах №3, если весы №1 даже не реагируют на реальное уменьшение начального веса воды при погружении тела и отлива при этом части воды, равной объёму погружаемого тела? Пытаться объяснить это явление увеличением веса воды в сосуде, как это было в работе [3] не получится, так как уровень воды в сосуде не увеличивается (Н = constant). Авторы данной работы объясняют это тем, что вытесненный объём воды весом GОВ, перелитый в ёмкость на весах №3 (синий четырёхугольник), компенсируется действием на чашу весов №1 вновь открытой авторами силы – реакции силы Архимеда (желтыйчетырёхугольник, рис.5б), равной по модулю силе Архимеда, но противоположно ей направленной [3]. Из рис. 5б. следует, что вместо веса вытесненной воды из сосуда погружаемым телом (синий четырёхугольник),
его место занял точно такой же по размерам желтыйчетырёхугольник (результат действия новой силы – реакции силы Архимеда RA, направленной вниз в направлении действия гравитационной силы веса тела и равной по модулю силе Архимеда PA).
Из рис.5в. видно, что на тело, лежащее на дне сосуда, действуют также четыре силы – GT, PA, RA, GB1,.и равнодействующая этих сил – реакция чаши весов Rвес. (показания весов). GB1 + GT + RA – PA= Rвес;
Как только тело полностью ляжет на дно сосуда, где: RA + PA= 0, уравнение запишется: Rвес= GT + GB– PA , где: GB1= GB– PA =GB – GОВ.
Из рис.5в видно, чтоPA= GОВ по закону Архимеда.
Это значит, что любое тело, лежащее или плотно прижатое ко дну сосуда (водоёма), будет легче своего веса в воздухе на величину веса вытесненной им жидкости, то есть, на него также действует выталкивающая сила жидкости (сила Архимеда PA) независимо от подтекания или не подтекания под тело жидкости. Неопровержимым доказательством действия силы Архимеда на тело, плотно прижатое (лежащее) на дне сосуда, являются показания весов №3, рис.5в, которые показывают вес реально вытесненной телом воды (синий четырехугольник), а, значит, величину силы Архимеда, действующей на центр тяжести тела вверх, уменьшая, таким образом, его вес, что полностью соответствует формулировке закона Архимеда. Как следует из сказанного, никакой потери веса тела в жидкости нет и быть не может, так как сила гравитации, действующая на тело в пределах Земного притяжения, всегда одна и та же (Т = mg) и не зависит от места нахождения тела в воздухе или в жидкости. Просто, необходимо в расчетах величины действующей силы АрхимедаFA=ρжgV, учитывать плотность окружающей тело среды (вакуум, газ, воздух, жидкость и т.д.), и обязательно учитывать действие реакции силы Архимеда RA, рис.3., которая воздействует непосредственно на Землю. Доказательством действия выталкивающей силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоёма), являются также известные из теоретической физики формулировки и формулы определения величины выталкивающей силы:
FA = жgV;FAVg(тж) ;
Где: V—объём погруженного в жидкость тела, тиж – плотности тела и жидкости.
Как следует из приведённых формул, сила Архимеда, действующая на тело в жидкости или в воздухе, никогда не может быть равна нулю, то есть, не может исчезать. Кроме того, заметим, нигде не оговаривается место нахождения тела в объёме жидкости (на дне, на стенках, внизу или вверху объёма). Так же из формул следует, что величина действия силы Архимеда на тело будет равна нулю лишь тогда, когда или объём тела будет равен нулю, или же плотности тела и жидкости будут стремиться к нулю, что нереально. Соответственно, сомнительное примечание в текстах современных учебников и научной литературы по физике «на тело, плотно прижатое к дну сосуда, закон Архимеда неприменим, так как жидкости под телом нет и сила Архимеда не возникает» ни кем не доказанное, считают авторы работы.. Это сомнительное утверждение существует так долго потому, что ранее науке не была известна вторая сила, непременно сопутствующая открытой Архимедом выталкивающей силе жидкости – это реакция силы Архимеда, без которой выталкивающее усилие на тело в жидкости возникать не может по законам механики (законам Ньютона). Эту вторую, неизвестную ранее из уровня техники силу, открыли и опубликовали в печати авторы данной работы [4]. Новая сила, которая вместе с известной сегодня в науке силой Архимеда, образуют законную «пару сил», и это необходимо учитывать в расчётах и решениях задач, чтобы исключить сомнения и гадания учащихся и инженеров в том числе. Для подтверждения своих теоретических исследований, авторы провели экспериментальные исследования, результаты которых изложены ниже.
3. Экспериментальные исследования
Для подтверждения выше изложенных теоретических предпосылок и доказательства действия силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоема), были проведены экспериментальные исследования с использованием точной измерительной аппаратуры. Использовались электронные весы SCL – 150, рис.6., с точностью взвешивания до 0,001г. На тонкой нити, закреплённой на штативе, на дно прозрачного сосуда с водой погружались гиря весом 50г, рис.6,. и пластилиновый шар весом 30,295г., рис.8. Целью эксперимента было:
- измерение величин действующих сил на гирю и шар при погружении их на дно сосуда;
- доказать действие выталкивающей силы Архимеда на любое тело, лежащее на дне сосуда как с подтеканием под тело жидкости, так и без подтекания (плотно прижатого ко дну);
- доказать необоснованность утверждения в учебниках физики о частичной потере веса тела в жидкости.
Исследование изменения веса гири при погружении на дно сосуда с водой, установленного вместе со штативом на одной чаше весов, показано на рис. 6. . Вес сосуда с водой Gсв составил 23.5г, вес штатива Gш = 50г., вес гири GГ = 50г., а её объём V = 6,7см3. Общий вес предметов на чаше
G = Rвес (реакция чаши весов) составил 123,5г. и оставался неизменным при погружении гири, хотя изменялись и сила натяжения нити, и величина силы Архимеда (желтый треугольник, рис.7, где: Еп – потенциальная энергия силы Архимеда, действующая на погруженную в воду гирю).
а) б) в)
Рис. 6. Исследование изменения веса гири при погружении на дно сосуда с водой, установленного вместе со штативом на одной чаше весов, где:
а) гиря висит на нити штатива без касания дна и стенок сосуда с водой, общий вес на чаше: G = Rвес = 123.580г: где: РА = RA = 6,7г; Vг = 6,7см3;
б) гиря лежит на дне сосуда на проволочках для возможности подтекания воды под дно гири, общий вес на чаше:G = Rвес = 123.580г., где: РА = RA = 6,7г; Vг = 6,7см3;
в) гиря приклеена к дну сосуда, подтекания воды под дно гири нет, общий весначаше. G = Rвес = 123.495г. Выталкивающая сила жидкости РА при полном погружении гири равна 6,7г. (Vг = 6,7см3).
На основании полученных результатов измерений веса гири при погружении на дно сосуда с водой, построены графики сил, рис 7.Вес гири в любой точке её погружения в воду можно найти из графика усилия натяжения нити ТН, так как GГ =ТН.
Как видно из рис.7, усилие натяжения нити, на которой висит гиря, при погружении её в воду уменьшалось на величину выталкивающей силы Архимеда (Тн = Gг –РА), однако же вес гири 50г. оставался неизменным, так как выталкивающая сила Архимеда РА компенсировалась действующей зеркально вниз реакцией силы Архимеда RA [4]. Важно отметить, что, как только гиря коснулась дна сосуда и её вес стал давить на дно в точке К, сила натяжениянити ослабла до нуля. Этозначит, что до соприкосновения гири с дном сосуда, усилие нити Тн определялось формулой Тн = Gг –РА, так каксила Архимеда РА была приложена к гире и направлена вверх против её силы тяжести, а реакция силы Архимеда RA была приложена к дну сосуда и направлена вниз в направлении действия силы веса гири, рис.7. В точке К силы РА иRAоказались приложенными к одному и тому же телу – дну сосуда, поэтому их сумма стала равна нулю (РА + RA = 0), а вес гири остался прежний 50г., причем независимо от подтекания, рис.6б, или неподтекания, рис.6в, воды под дно гири.
Рис.7. Графики изменения сил, действующих на гирю, при погружении в сосуд с водой (штатив и сосуд установлены на одной чаше весов).
Этим подтверждается верность формулировки закона Архимеда, где указывается, что величина выталкивающей силы жидкости зависит только от веса объёма вытесненной телом жидкости и никак не зависит от места размещения тела в объёме этой жидкости (вверху, внизу или плотно прижатое к стенкам, дну). Соответственно, принятые в механике расчёты действующих на тело сил в воздухе, для жидкости, полагают авторы, не применимы. Сегодня учеными мира признано, что выталкивающая сила жидкости действует на центр тяжести погруженного в жидкость тела (на центр тяжести объёма вытесненной телом жидкости), а это значит, что сила Архимеда действует также и на центр тяжести плотно прижатого ко дну сосуда с жидкостью тела, независимо от наличия жидкости под его дном. Такие выводы подтверждаются экспериментами авторов, изложенными в научных публикациях [5,8 и др.]..
Эксперименты с погружением в жидкость шара.
Проведены аналогичные эксперименты с погружением в сосуд с водой пластилинового шара, вес которого в воздухе Gш = 30,295г, рис.8.
а) б) в)
Рис. 8. Исследование изменения веса шара при погружении в сосуд с водой, установленный на чаше весов, где: а) измерение веса сосуда с водой; б) измерение реакции силы Архимеда (объёма шара); в) измерение веса шара прижатого ко дну сосуда с водой.
Измерения проводились в такой последовательности: измерялся вес шара в воздухе Gш = 30,295г.; вес сосуда с водойGсв = 111,220г.; путём полного погружения шара в воду сосуда на тонкой нити без касания стенок и дна сосуда измерялась величина реакции силы Архимеда RА и, соответственно, объём шара Vш. Показания весов при полном погружении шара равны 133,710г., то есть, больше на величину реакции силы Архимеда, которая по модулю равна силе Архимеда, но противоположно ей направленная. Величина её равна 133,710Г – 111,220Г = 22,490Г., что соответствует объёму шара Vш = 22,490см3. Когдашар прижат ко дну сосуда в точке К, рис.8. ирис. 9., общий вес на чаше стал равен 141,615г. Значит вес шара в воде равенGш = 141,615г.– 111,220Г. =30,395Г., то есть, вес шара в жидкости и в воздухе не изменяется, хотя на него, несомненно, действует сила Архимеда, направленная вверх. Объяснение этого факта следует из графика сил, действующих на шар при погружении в сосуд с водой (штатив и сосуд стоят на одной чаше весов), рис.9. На основании полученных результатов исследования веса шара при погружении на дно сосуда с водой, построены графики сил, рис.9. Из графика ТН силы натяжения нити следует, что по мере погружения шара в воду, натяжение нити уменьшается на величину веса объёма вытесненной шаром воды, однако же, вес шара и давление его на чашу весов не уменьшилось и не изменилось (constant). Это объясняется тем, что на чашу весов действует также равная по модулю силе Архимеда РА, но противоположная по направлению реакция силы Архимеда RA, рис.9.
Рис.9. Графики сил, действующих на шар, при погружении в сосуд с водой (штатив и сосуд установлены на одной чаше весов).
Ранее, не зная о существовании и действии реакции силы Архимеда, считали, что тело в жидкости просто теряет часть своего веса, а это противоречит законам физики. Некоторые ученые пытались объяснить уменьшение веса тела в жидкости явлением антигравитации, что близко к утопии. Интересно, что, как только тело ложится на дно сосуда с жидкостью, потерянный вес тут же находится и вес тела становится равным весу его в воздухе. Ученые пытались это непонятное явление объяснять тем, что тело своим весом выдавливает жидкость из под дна. Если же под дном тела жидкости нет - выталкивающая сила Архимеда не возникает. Однако же, если к цилиндру с плоским отшлифованным основанием, плотно прилегающим к плоскому отшлифованному дну сосуда с жидкостью эту гипотезу можно как - то применить и обосновать, то как можно объяснить вес в воде шара, лежащего на дне сосуда. Известно же, что и цилиндр, и шар, и любое другое тело произвольной формы, лежащее на дне сосуда с жидкостью, своего веса не теряют, то есть их вес на дне сосуда с жидкостью, точно равен их весу в воздухе, рис.7., рис.9. Объясняется это тем, что на любое прижатое к дну сосуда с жидкостью тело (не зависимо от его формы), действуют сила Архимеда, приложенная к центру тяжести этого тела, и вновь открытая авторами сила – реакция силы Архимеда. Когда тело прижато ко дну сосуда, обе эти силы приложены к одному и тому же телу – дну сосуда и, соответственно, их результирующая равна нулю (РА + RA = 0). Однако же, давление тела на дно сосуда в точке соприкосновения меньше веса тела в воздухе на величину выталкивающей силы Архимеда РА, направленной вверх, а реакция силы Архимеда RA, направленная вниз, оказывает равномерно распределенное давление на всю площадь дна сосуда (водоёма). Удельное давление q на дно от действия реакции силы АрхимедаRA находится по формуле: q = RA |s,г/см2, где: s – площадь дна сосуда (водоёма). Реакция дна на давление лежащего на нем шара, определится из формулы: Rвес = Gш – РА + RA = Gш, так как, РА + RA = 0;
Значит, точный вес тела любой формы и размеров, можно измерять, погружая его на дно сосуда с жидкостью[5- др. Студент первого курса8].Точность измерения веса тела, имеющего внутренние пустоты, также будет высокой, так как действие силы Архимеда и реакции силы Архимеда компенсируют увеличение объёма тела с пустотами, а масса тела остается неизменной.
Выводы
В данной исследовательской работе дан анализ ошибок в решениях задач гидростатики, связанных с весом тела в жидкости. В результате исследований действия сил на погруженное в жидкость тело, авторы установили ранее неизвестную закономерную связь между силой Архимеда и неизвестной ранее, но объективно существующей силой – реакцией силы Архимеда. С учётом действия вновь открытой силы, авторами предложен инновационный подход к определению веса тела в жидкости и сделаны следующие выводы:
1) при определении веса тела в жидкости, допускаются принципиальные ошибки, так как без учета реактивных сил невозможно получить верные решения задач;
2) результаты исследований авторов показали, что вес любого тела и в воздухе, и в жидкости, с учётом действия вновь открытой силы – реакции силы Архимеда, остаётся неизменным (constant), GТ = mg;
3) результаты исследований авторов показали, что на любое лежащее (прижатое) к дну сосуда (водоема) тело, действуют выталкивающая сила Архимеда, приложенная в центре тяжести тела и направленная вверх, а также вновь открытая сила – реакция силы Архимеда RA, равномерно распределенная по всей площади дна s и направленная вниз, q= RА/s,г/см2 ;
4) результаты исследований авторов показали, что точный вес тела любой формы и размеров, можно измерять, погружая его на дно сосуда с жидкостью. Точность измерения веса тела, имеющего внутренние пустоты, не уменьшается, так как действие силы Архимеда и реакции силы Архимеда компенсируют увеличение объёма тела с пустотами, а масса тела остается неизменной и равнаmg ;
5) решение задач гидростатики с учетом вновь открытой авторами силы – реакции силы Архимеда, позволит исключить принципиальные ошибки и угадывания верности ответов.
Список использованных источников:
1. Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2- е изд.- М.: Дрофа, 2013г, стр.144—150, (Архимедова сила).
2. . А Штумпф, Германия Вес тела и закон Архимеда,:форум МГУ («Новые теории в физике», Архив 2003-2005г).
3. Филатов Е.Н. ФИЗИКА–7. Часть 2 Давление. Работа. Энергия: Учебное пособие. –7-е изд., перераб. – М.: АНО ЗФМЛ «Авангард», 2020 –316с.
4. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н: Вновь открытая сила и новая формулировка закона Архимеда. Сборник статей X Международной научно-практической конференции. в 2ч. Ч. 1–Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение».2018.
5. Патент № 2663551 «Универсальный прецизионный плотномер жидких сред». Осипов Н.Е, Осипов М.А, Тимохин А.А, Осипов А.Н, Тимохина И. Н;
6. Осипов Н.Е., Осипов А.Н., Тимохин А.А. Осипов М.А., Тимохина И.Н. Способ измерения выталкивающей силы Архимеда, заявка на изобретение №: 2016126531 от 04.07.2016, ФИПС, 15.01.2018 , Бюл № 2
7. Осипов Н.Е., Осипов А.Н., Тимохин А.А. Осипов М.А., Тимохина И.Н. Способ и устройство определения пробы благородных металлов, М.: ФИПС, заявка на патент. Бюл. № 2 , 2018г
8. Тимохин А.А., Осипов М.А. Инновационный подход к определению выталкивающей силы Архимеда. Материалы ХХ Международной конференции научно – технических работ школьников «Старт в науку» - МФТИ, Москва, 2018.