XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Прямое измерение силы Архимеда, действующей на цилиндр, приклеенный основанием к дну сосуда без возможности подтекания под него жидкости
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Прямое измерение силы Архимеда, действующей на цилиндр приклеенный основанием к дну сосуда без возможности подтекания под него жидкости.
Введение
Уже более 2300 лет известен закон Архимеда о выталкивающей силе жидкости, но до сих пор возникают сомнения о легитимности его применения в отдельных случаях, например, к телу, плотно прижатому к дну сосуда (водоёма).
Из воспоминаний бывшего школьника: «помним со школьных лет как взвешивали тело в воздухе, погружали в наполненный до краев сосуд и определяли уменьшение его веса, собирая и взвешивая вылившуюся воду и т. д. Всё очень наглядно и убедительно, но только это была демонстрация действия, но никак не объяснение закона. Видно, что закон работает, но непонятно, почему и какон действует. Получается, что эта "выталкивающая сила" чуть ли не мистическая. Объяснение, естественно, есть, только мало где оно встречается. Во всяком случае, когда учился в школе, там действие закона не объясняли. Действует и все тут!». Обычно, объясняя появление выталкивающей силы Архимеда, ссылаются на закон Паскаля, согласно которому давление в любой точке жидкости, действующее во все стороны и равное весу столба жидкости над этой точкой, рис.1., где стрелками показано давление воды, действующее на поверхности двух одинаковых тел [1].
а) б) Рис.1.Предполагаемые схемы действия сил на тело в жидкости
. Поскольку на двух противоположных боковых сторонах давление одинаковое, суммарные силы от этого давления уравновешиваются и на поведение тела не влияют. На горизонтальных верхних и нижних поверхностях давление распределено равномерно, но на нижних оно больше, чем на верхних, рис.1а. Как следует из сказанного и из современного уровня познаний в физике раздела «Гидростатика», разница этих давлений и даёт результирующую силу, направленную вверх, то есть выталкивающую силу Архимеда. Сила эта не зависит ни от положения тела в жидкости, ни от глубины погружения, а зависит только от объема тела, равного объему вытесненной жидкости. Давление же жидкости на тело прямо зависит от ее плотности, а плотность, умноженная на вытесненный объем и даёт его вес, то есть, величину выталкивающей силы Архимеда, которая, в свою очередь, вычисляется также как разность давлений, действующих на тело сверху и снизу, рис.1. На рисунке разность давлений для левого тела меньше, чем для правого. Но выталкивающая сила для этих одинаковых по объему тел одинакова, так как для правого тела большая разность давлений действует на меньшую площадь нижней поверхности. Нетрудно заметить отсюда, что выталкивающая сила также не зависит и от формы тела. Если сказанное выше, рис.1а, доступно для понимания и сомнений не вызывает, то объяснение на современном уровне знаний действия сил на тело в жидкости, рис.1б, вызывает вопросы и сомнения специалистов [3,6,7]. Как следует из научных понятий сегодня, если оба тела погрузить на дно сосуда и приклеить их к дну, прежде чем заливать воду, которая не сможет подтекать под тело, рис.1б, то оба тела не только «не испытывают действие выталкивающей силы», а наоборот, ещё больше будут прижаты ко дну. И держит их не клей, а та же самая жидкость, которая давит на тела сверху при отсутствии силы давления снизу. Сомнения авторов данной работы об отсутствии действия силы Архимеда на прижатое ко дну сосуда (водоёма) тело, особенно усилились после внимательного прочтения статьи известного учёного Г.С.Ландсберга, [2], где сказано: «Известно, что подводная лодка, легшая на мягкий грунт моря, иногда не может оторваться от него, даже освободив свои цистерны от воды. Это также объясняется тем, что вода не может быстро проникнуть под корпус лодки, плотно прилегший к грунту». Учёный указал, что лодка подводная иногда не может оторваться от дна, значит «иногда» она всё же, оказывается, можетотрываться от дна водоёма. Что же получается? Закон Архимеда то действует, а то и не действует. Тогда это не закон – справедливо заявляют знатоки. Авторы данной работы своими исследованиями доказывают справедливость формулировки закона, предложенной Архимедом, и легитимность применения закона Архимеда в гравитационном поле Земли [3]. Чтобы получить правильный ответ на вопрос о действии силы Архимеда на лежащее на дне сосуда (водоёма) тело, считают авторы, необходимо научиться напрямую измерять силу давления тела на дно в точке их соприкосновения. Решение этой задачи стало главной целью авторов данной научной работы, теоретические и экспериментальные результаты которой изложены ниже.
Основная часть работы:
1. Анализ силового взаимодействия жидкости и погруженного тела в сосуде, установленного на чаше электронных весов.
Как гласит народная мудрость, начинать надо с того, что « сеет сомнение», то есть, следует более внимательно взглянуть на известный всем нам закон Архимеда ( - плотность жидкости или газа, - ускорение свободного падения,
- объём погружённого в жидкость тела) Как следует из формулы, на величину выталкивающей силы жидкости влияют только - лишь объём и плотность вытесненной жидкости, и никак не оговаривается принцип вытеснения этого объёма жидкости телом, рис.1.
. а) б) в
Рис.2. Схемы сил, действующих на тело в жидкости, в понятии ученых на современном научном уровне.
На рис.2. даны схемы сил, действующих на тело в жидкости, которые представлены в учебниках. Однако считают авторы, в указании сил имеются принципиальные ошибки, нарушающие закон Ньютона, и составить уравнение равновесия системы «тело – жидкость - сосуд» не представляется возможным из - за отсутствия ещё одной силы - силы реакций указанных на рисунках сил. Один из трёх основных законов ньютоновской механики - тре́тий зако́н Нью́тона утверждает, что сила, действующая со стороны одного тела на другое, с точностью до знака равна силе действия другого тела на первое и направлена вдоль прямой, соединяющей данные тела. Соответственно, силы могут действовать на тела только - лишь в паре, а не в одиночку. Количество активных сил в системе должно быть равно количеству реактивных сил. Как видим из рис.1в, на лежащее тело на дне сосуда, указано действие только трёх сил, что является ошибкой, и составить уравнение равновесия системы нельзя. На рис.3. даны схемы сил, действующих на тело, погруженное в сосуд с жидкостью, где учтена вновь открытая авторами данной работы сила – реакция силы Архимеда RА, равная величине силы Архимеда по модулю, но противоположная по направлению[3]. Из этого следует, что на любое погруженное в жидкость тело всегда действуют четыре силы, рис.3. Уравнение действующих сил системы запишется так: Gж + G – Pн – РА + RА– Rвес = 0;
Учитывая, что при замерах истинной величины силы Архимеда РА можно включить режим для электронных весов «без учета веса тары» (весы обнуляются), уравнение запишется следующим образом: G + RА = Рн + РА; или: RА = Рн + РА – G;
Из уравнения следует, если РА = 0, то и RА = 0, значит G = Рн (тело висит на нити в воздухе), плотность которого мала по сравнению с жидкостью.
Следует отметить, как показывает литературный обзор, понятие « реакция силы Архимеда» RА из уровня техники является новым, ранее неизвестным, ни в каких теоретических исследованиях ранее не упоминаемым, соответственно, явление это можно отнести к «открытию», рис.3. (ЭВРИКА).
а) б)
Рис. 3. Схема сил, действующих на тело, погруженное в сосуд, установленный на чаше весов, где: 1 – условная жесткая поверхность, воспринимающая усилие реакции силы Архимеда; 2 – множество сил, равномерно распределённых по всей поверхности дна сосуда, под действием реакции силы Архимеда RА; РА - сила Архимеда; RА – реакция силы Архимеда; G – сила тяжести тела; GЖ - сила тяжести жидкости, действующая на дно сосуда, RДЖ - реакция дна на действующую силу тяжести жидкости, Pн - сила натяжения нити., Rвес – реакция чащи весов на общий вес сосуда.
2. Прямое измерение силы Архимеда, действующей на цилиндр, приклеенный основанием к дну сосуда без возможности подтекания под него жидкости.
В научных источниках сегодня скромно, лишь в примечаниях указывается, что на тела, плотно прижатые ко дну сосуда (без подтекания жидкости под дно тела), выталкивающая сила жидкости не действует [1; 2]. Однако же экспериментального подтверждения этому явлению пока нет, что вызывает у специалистов сомнения о правомерности такого утверждения. Известно, что вес тела в жидкости может быть измерен пружинным динамометром, закреплённым на нити штатива, и по разности весов тела в воздухе и в жидкости определяется величина выталкивающей силы жидкости, силы Архимеда РА. Прямого способа измерения величины действия силы Архимеда на тело, прижатое ко дну сосуда (водоёма), в научных изданиях найти авторам пока не удалось, поэтому было принято решение самим разработать нужный способ. Решение поставленной задачи позволило бы дать важный для науки однозначный ответ на вопрос о действии силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну (лежащее на дне) сосуда. Основой для разработки способа прямого измерения величины действующей силы Архимеда на плотно прижатое ко дну сосуда тело, стало известное положение механики, а именно: «сила, с которой тело давит на подставку (пол), равна его весу в гравитационном поле Земли». Если же сила давления тела на подставку меньше его гравитационного веса, значит, на тело действует подъёмная (выталкивающая) сила, а если же сила давления окажется больше гравитационного веса тела, значит на тело действует дополнительно какая-то сила, направленная вниз к центру Земли.
На рис.4. представлены графики изменения сил в процессе погружении тела в жидкость, где весы N1 измеряют вес тела (силу натяжения нити – синий четырёхугольник) как в воздухе, так и в процессе погружения тела в жидкость. Как следует из графиков, сила натяжения нити Тн при погружении тела в жидкость уменьшается под действием силы Архимеда PA до момента полного погружения тела в жидкость (точка м), а далее остаётся постоянной (constant) до момента касания телом дна сосуда в точке Д, где тело лежит на дне сосуда(сила натяжения нити равна нулю).Весы N2 измеряют вес сосуда с жидкостью (желтый четырёхугольник) как до погружения тела, так и в процессе его погружения в сосуд с жидкостью. При погружении тела происходит увеличение давления сосуда на чашу весов под действием реакции силы Архимеда RA, по модулю равной величине выталкивающей силы жидкостиPA, но направленной вертикально вниз, воздействуя на дно сосуда, и, соответственно, увеличивая суммарное давление сосуда с жидкостью (Gж + RA) на чашу весовдо момента полного погружения тела в жидкость (точка м). Дальше вес остаётся constant до момента касания телом дна сосудав точке Д. После того, как тело ляжет на дно сосуда и нить полностью ослабнет (точка Д), весы N2 зафиксируют точный суммарный вес жидкости и гравитационного веса тела (Gж + G) без учёта силPAиRA., так как при касании телом дна сосуда, силы PAи RA будут приложены к одной точке Д одного и того же тела (дна сосуда), поэтому их равнодействующая будет равна нулю (РА + RА = 0). Из этого следует, что точный вес тела можно измерять, помещая его на дно сосуда с жидкостью, установленного на весах.
Рис. 4. Графики изменения сил в процессе погружения гири 50г в воду.
Для того чтобы выявить действует-ли выталкивающая сила PA на тело, лежащее (плотно прижатое) на дне сосуда с жидкостью, авторами предложен способ раздельного измерения сил, действующих на тело в жидкости и на дно сосуда, рис.4., заключающийся в том, что в погруженном положении тела в жидкости без касания им стенок и дна сосуда, на тело действуют сила тяжестиG, сила Архимеда PA и сила натяжения нити Тн(синий четырёхугольник), измеряемые весами N1 (Тн = G– PA), а в тоже время на дно сосуда действует сумма сил, а именно, сила тяжести жидкостиGж и реакция силы Архимеда RА, (Gж + RА), которые измеряются весами N2, и в этот момент весы N2 обнуляются включением кнопки «тара». После обнуления весов N2, исследуемое тело на нити погружается глубже, рис.5., и ложится на дно сосуда до ослабления нити (Тн = 0). На весы N2 при этом действует лишь одна сила - сила давления тела на дно сосуда в точке их соприкосновения, то есть, фиксируется истинный вес тела, лежащего на дне сосуда с жидкостью, который, как показывают опыты, всегда меньше гравитационного веса тела на величину веса жидкости в объёме погруженного тела, рис. 5. Однако же, если гравитационный вес тела в пределах силы земного притяжения constant, то и лежащее (плотно прижатое ко дну) тело в жидкости своего гравитационного веса не теряет, а просто к весу, лежащего на дне сосуда с жидкостью тела, добавляется ранее не известная из уровня техники сила – реакция силы Архимеда RА [3,5,6], равномерно распределённая по всей площади дна, а равнодействующая этих силRА совпадает с линией действия силы тяжести тела G. На дно сосуда, а, соответственно, и на чашу весовдействуют силы G, PAи R, откуда реакция чаши весов Rвес. равна сумме этих сил: Rвес =G– PA +RА = G; где: PA +RА = 0. Таким образом, вес тела лежащего на дне сосуда (водоёма), равен весу этого тела в воздухе (вакууме). Однако же, сила его давление на дно сосуда (водоёма) в точке их соприкосновения, всегда меньше веса тела в воздухе на величину выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда). Следует отметить, что указанная величина давления тела на дно сосуда с жидкостью не зависит от плотности прижатия тела ко дну, а так же от подтекания или не подтекания жидкости под дно тела. Полученные авторами выводы на основании теоретических исследований и подтверждённые экспериментами, противоречат выводам о действия силы Архимеда на тело, плотно прижатое ко дну сосуда с жидкостью, изложенные ранее в научных публикациях [1;2], где отмечается, что:
- «если тело плотно лежит на дне, то давление жидкости только сильнее прижимает его ко дну»;
- «сила Архимеда равна нулю, когда погруженное в жидкость тело плотно, всем основанием прижато ко дну»;
- «вода не может быстро проникнуть под корпус лодки, плотно прилёгший к грунту дна»;
- «экранирование от силы Архимеда происходит в том случае, когда часть нижней поверхности выталкиваемого тела каким–то образом экранируется от давления жидкости».
Рис. 5. Обнуление весов N2 при измерении веса гири 50г., лежащей на дне сосуда.
Можно – ли согласиться с выше изложенными выводами? Можно - ли без сомнений поверить в то, что вода не может быстро проникнуть под корпус лодки, плотно прилёгший к грунту дна. Что экранирование от силы Архимеда происходит в том случае, когда часть нижней поверхности выталкиваемого тела каким–то образом экранируется от давления жидкости, если часть поверхности тела плотно прилегает к стенке или дну сосуда так, что между ними нет прослойки жидкости, то закон Архимеда неприменим. Несомненно, такие выводы вызывают сомнения. По мнению авторов, причиной сомнений является то, что до сих пор нет правильного математического описания закона Архимеда. Принятая учеными формула определения величины выталкивающей силы Архимеда в жидкости (газе), РА = ρgV, не описывает действие других сил в системе «сосуд – жидкость – тело». Так, например, в гидростатике сегодня рассматриваются только две силы, действующие на погруженное в жидкость тело - сила веса тела и сила Архимеда, что является ошибкой и нарушением третьего закона Ньютона. Если для определения действующих сил на плавающее в жидкости тело было «достаточно» знать величину только одной выталкивающей силы РА, то для определения действующих сил на тело, лежащее на дне (плотно прижатое ко дну) сосуда - водоёма, оказалось этого мало. Для составления математической модели действующих сил на тело, лежащее на дне водоёма, не хватает ещё одной силы – силы, открытой авторами данной работы – реакции силы Архимеда RА, вследствие чего допускаются принципиальные ошибки в решении физических задач [7]. Кроме сказанного, авторы считают, что объяснение возникновения силы Архимеда исключительно за счёт лишь разности давлений жидкости, действующих на нижнюю и верхнюю части пог;руженного тела, не совсем убедительно. Иначе не возникали бы сомнения в течении более двух тысяч лет по вопросу возникновения выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда). Авторы так же считают, что формулировка закона Архимеда [5,6] справедлива в пределах гравитационного поля Земли, и что выталкивающая сила жидкости связана исключительно с объёмом погруженного тела, плотностью жидкости (РА = ρgV), и не зависит от места и положения тела в сосуде (водоёме). Как полагают авторы данных исследований, воздушную и жидкостную Земную среду можно считать как одно из физических полей, а именно, «Пневмо - гидростатическое поле», где на тело действует один и тот же закон Архимеда. Соответственно, при взаимодействие между помещённым в это поле телом и средой поля, возникают силы, действующие вверх против действия на тело гравитационной силы – силы веса. Подробней о свойствах предполагаемого инновационного поля и его характеристиках излагается в разделе ниже.
3. О правомерности признать «пневмо - гидростатическое поле» одним из физических полей.
Под термином “физическое поле“ понимают некоторого посредника, благодаря которому действие от одного тела передается к другому на расстоянии. Современная физика рассматривает самые разные гипотезы о полях и их строении. По мнению Эйнштейна идея поля была самым важным открытием со времен Ньютона. У Ньютона пространство пассивно, это простое вместилище, в котором располагаются тела. У Фарадея пространство (поле) участвует в явлениях. Поле, как и вещество, является видом материи. Фарадей сказал, затем и другие ученые пришли к тому, что поля - это один из самых значимых видов материи. Большая часть взаимодействий, по мнению ученых происходит именно посредством полей подходящего типа, а даже самая обычная материя - это концентрированное поле из определенных квантов. Поле существует не просто так, для его появления требуется источник (инициатор) поля, а без "инициатора" поля не будет и самого поля. Таких источников поля существует множество - электрический заряд, массивный объект, постоянный магнит и так далее, и тому подобное.
Исходя из выше изложенного, можно заключить, что любое тело, плавающее в жидкости или парящее в атмосфере Земли, можно также считать помещённым в физическое «Пневмо - гидростатическое поле», где действуют законы этого поля, где любое тело вжидкости или газе является источником (инициатором) и создает вокруг себя поле. Это поле действует с некоторой силой (силой Архимеда) на все тела, помещенные в это поле, свойства и характеристики которого приводятся ниже:
Свойстваполя: Любое тело вжидкости или газе создает вокруг себя «пневмо - гидростатическое поле». Это поле действует с некоторой силой на все тела, помещенные в него. Основные характеристики поля: Известно, что на все тела в жидкости (воздухе) действует выталкивающая сила. Такое действие жидкости на тело называется гидростатическими описывается законом Архимеда. Всякое тело некоторой массы и объёма изменяет свойства окружающего его жидкостного (воздушного) пространства, создает в нём «пневмо- гидростатическое поле» (ПГ- поле). Это поле проявляет себя в том, что помещенное в него другое тело, наделённое некоторой массой и объёмом, оказывается под действием силы. Для количественного описания «ПГ – поля», по аналогии с другими физическими полями, вводится понятие напряженностиρи потенциала φ, где под напряженностью «ПГ – поля»понимаем величину, равную силе, действующей на материальную точку объёмом 1см3, (ρ = г/см3.) . Размерность напряженности гидростатического поля совпадает с размерностью плотности жидкости, измеряемой в г/см3.. Физическое «ПГ – поле», является однородным, где силовые линии поля параллельны, а его напряженность во всех точках пространства поля одинакова. Любое тело некоторого объёма и массы, помещенное в «ПГ-поле», обладает потенциальной энергией. Энергетической характеристикой поля является потенциал φ, численно равный потенциальной энергии W, которой обладает в данной точке поля материальное тело объёмом V = 1см3 ; φ = W/V.
Кроме этого, материальное тело объёмом V = 1см3, помещённое в «ПГ - поле» обладает массой mи на него воздействует также фундаментальное физическое «гравитационное поле», через которое осуществляется гравитационное взаимодействие между всеми материальными телами. Гравитационное поле непрерывно распределено в пространстве, проникает в другие поля идействует с некоторой силой – «силой тяготения» на все тела, помещенные в это поле. Любое тело, помещенная в поле, обладает потенциальной энергией. Энергетической характеристикой гравитационного поля является потенциал, численно равный потенциальной энергии W, которой обладает в данной точке поля материальная точка массой один грамм (1г.), φ = W/m.
Таким образом, тело массой m и объёмом V, под воздействием «Пневмо - гидростатического» и «гравитационного» полей, обладает в жидкости потенциальной энергией W, равной:
W = (mТ g – m Ж g)h = (ρТ –ρЖ) gVh–ρЖ) gVh;
где: mТи mЖ - массы тела и жидкости, вытесненной телом; ρТ и ρЖ - плотности тела и жидкости (воздуха); h – расстояние между точками перемещения тела в поле. Величина действующей силы Архимеда на тело в любой точке «ПГ - поля», в том числе и на дне сосуда (водоёма), определяется по формуле: PA= ρЖ VЖ g;Вес тела GТЖ в жидкости, помещенный в «ПГ - поле», находится из формулы:
GТЖ = ρТ VТ g–ρЖ VЖ g=(ρТ –ρЖ) VТ g, где:VТ = VЖ ;
Из формулы видно также, что на любое тело объёмом VТ, прижатое ко дну сосуда с замещением объёма жидкости (VЖ = VТ ), действует выталкивающая сила Архимеда, уменьшая давление тела в точке его соприкосновения с дном сосуда (водоёма). Это подтверждается экспериментами авторов и видно из рис. 7 и рис. 8 . Важно помнить, что на дно сосуда (водоёма) вес тела, прижатого ко дну, передаётся полностью без изменения его веса в воздухе, хотя прямое давление тела на дно сосуда в точке соприкосновения с дном, меньше его веса в воздухе на величину выталкивающей силы Архимеда РА. Объясняется это тем, что в точке соприкосновения тела с дном сосуда , давление на дно равно его весу в жидкости (GТЖ = G– РА), то есть, меньше на величину силы Архимеда РА. .Однако же, на дно сосуда вес тела передаётся полностью за счёт действующей в направлении веса тела (вниз) ещё одной, ранее не известной в науке силы [3]открытой авторами – реакции силы Архимеда RА. Таким образом, на дно сосуда передаётся полный вес тела равный (G– РА ) + RА = G, то есть, никакой потери веса тела в жидкости не бывает. Физические поля удобно изображать графически с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей, рис.6.
а) б)
Рис.6. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности «ПГ - поля» (а) и «гравитационного» (б) поля Земли.
4. Экспериментальные исследования
Результаты теоретических исследований подтверждаются экспериментами авторов, проведённых с использованием точной измерительной техники. Для измерения веса тела в воздухе и лежащего на дне сосуда с жидкостью, применялись электронные весы ACOM JW -1 с точностью взвешивания до 0,01г. с max пределом взвешивания 200г, и весы SCL – 150 с точностью взвешивания до 0,005г. и с max пределом взвешивания 150г. В качестве погруженного на тонкой нити в сосуд с жидкостью тела использовалась цилиндрическая гиря массой 50г. и стальной конус массой 52,93г, а сосудом служил прозрачный пластиковый стакан с приклеенным ко дну стеклом, наполненный водой плотностью один г/см3, рис. 7 и рис.8.(ПРИЛОЖЕНИЕ).
Целью экспериментов было:
- измерение величины действующих сил при погружении тела в сосуд с водой, а именно, величины силы Архимеда и величины реакции силы Архимеда, действующих на тело и на дно сосуда;
- измерение веса тела, полностью погруженного в воду;
- прямое измерение величины давления тела, лежащего на дне сосуда с водой, в точке их соприкосновения.
Полученные экспериментальные результаты позволили построить графики действующих на тело в жидкости сил, рис.4 и рис.5., совпадающих с высокой точностью с теоретическими расчётами. Эксперименты подтвердили, что на тело, лежащее на дне сосуда (плотно прижатое ко дну сосуда) с жидкостью, всегда действует выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу жидкости, в объёме погруженного в жидкость тела. Так, цилиндрическая гиря весом 50г. и объёмом 6,6см3 в жидкости весит 43,17г. и давит на дно сосуда, когда лежит на дне, с усилием 43,40г. не зависимо от подтекания или неподтекания жидкости под дно гири, рис.7. Аналогичные результаты и при погружении конуса на дно сосуда с водой, где вес стального конуса в воздухе 52,93г., объём 6,88см3, а вес его в воде равен 46,05г. На дно сосуда конус давит, когда лежит прилипший ко дну, с таким же усилием 46,05г - 46,105г., как и вес его в воде, рис.8.
Выводы
В работе представлен инновационный взгляд на возникновение выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда) на погруженное в жидкость тело под действием двух физических полей - «пневмо - гидростатического поля» и «гравитационного поля».
В результате теоретических исследований действия силы Архимеда на тела, лежащие на дне сосуда (водоёма), авторами разработан и предлагается инновационный способ прямого измерения силы давления тела, лежащего на дне сосуда с жидкостью, в точке их соприкосновения. Измерения с применением нового способа, позволили установить, что давление тела на дно сосуда в точке их соприкосновения, всегда меньше веса тела в воздухе на величину веса жидкости в объёме погруженного тела. Однако же, как показали эксперименты, суммарный вес сосуда с жидкостью и гравитационный вес тела остаётся неизменный, несмотря на то, что вес тела, лежащего на дне сосуда, меньше на величину веса жидкости в объёме погруженного тела (силы Архимеда). Это объясняется тем, что на тело, лежащее (прижатое без возможности подтекания под дно тела жидкости), всегда действует сила Архимеда, уменьшающая его давление на дно сосуда в точке их соприкосновения. В то же самое время действует и реакция силы Архимеда, равномерно распределённая по всей площади дна сосуда (водоёма), по модулю равная силе Архимеда, но противоположно ей направленная вниз. В результате вес тела, лежащего на дне сосуда (водоёма), всегда равен весу тела в воздухе. То есть, тело в жидкости никак не теряет свой гравитационный вес, который в пределах сил гравитации Земли остаётся constant.
Использование понятия двух полей «пневмо-гидростатическое поле» и «гравитационное поле», действующих на тело в жидкости (воздухе), результирующая сила которых на тело равна разности их потенциалов и не зависит от места нахождения (плотного прижатия к чему–то) тела в поле, позволяет лучше понимать причину возникновения выталкивающей силы жидкости (газа), и не допускать принципиальных ошибок в решении учебных и практических задач.
Список используемых источников:
1. Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд.- М.: Дрофа, 2013г, стр.144—150, Архимедова сила.
2. Г.С. Ландсберг, Элементарный учебник физики. (Тела, лежащие на дне сосуда, стр. 319), т.1, М, 1995 год, 356с.;
3. 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.
4. Осипов Н.Е., Осипов М.А., Тимохин А.А. и др. Патент № 2663551, «Универсальный прецизионный плотномер жидких сред»;
5. Тимохин А.А., Осипов М.А. Инновационный подход к определению выталкивающей силы Архимеда. Труды ХХ Международной конференции научно – технических работ школьников «Старт в науку» - Лауреаты МФТИ, Москва, 2018.
6. Осипов Н.Е., Тимохина И.Н., Осипов А.Н.: О действии силы Архимеда
на тело, плотно прижатое ко дну сосуда (водоёма).Материалы X международной научно-практической конференции - Фундаментальные и прикладные научные исследования,Пенза, 2018.
7. Осипов М.А., Тимохин А.А., Осипов Н.Е., Тимохина И.Н.. Принципиальные ошибки в решении некоторых задач гидростатики и причины их появления: Материалы XIX Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «СТАРТ В НАУКЕ», Москва, 2023
8. Осипов Н.Е. и друг.…. «Способ измерения выталкивающей силы Архимеда». Заявка на изобретение №: 2016126531, 04.07.2016. Дата публикации заявки: 15.01.2018 , Бюл № 2. (Приложение 2)
9.Осипов Н.Е. и друг.…Способ и устройство определения пробы благородных металлов. Заявка на изобретение № 2016126528, 04.07.2016. Дата публикации заявки 12.01.2018, Бюл. № 2.(Приложение 3).
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
а) Вес гири в воздухе 50г.,а вес б) вес гири, лежащей на дне на нити в воде равен 43,17г. сосуда с водой равен 43,40г.
Рис.7. Прямое измерение давления на дно сосуда цилиндрической гири весом 50г., основанием приклеенной к дну сосуда с водой.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
а) вес сосуда с водой 60,135г. б) вес сосуда с погруженным в . воду конусом 67,015г.
в) обнуление весов- конус висит на нити г) конуслежит- приклеен к дну, . поностью погружен в воду. его вес равен 46,105г.
Рис. 8. Прямое измерение веса стального конуса, лежащего на дне сосуда с водой, где:
1. Вес сосуда с водой 60,135г. 2. Вес конуса в воздухе 52,93г. 3.Объём конуса равен 67,015г.– 60,135г.= 6,88г.(см3), где : 6,88г. - величина давления реакции силы Архимеда на дно сосуда (по модулю равная величине силы Архимеда)..