XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
О плавании стограммовой гири в 20 г (см3) воды
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В законе, открытом великим Архимедом более двух с лишним тысяч лет назад, не может быть, полагают многие, каких - либо сюрпризов и неясностей, но «парадоксы» всё же просматриваются и некоторые неясности пока ещё не прояснены. Не даёт покоя фанатам «физики» формулировка закона Архимеда, которая считается самой простой и самой запоминающейся из всех законов в физике, однако же, до сих пор учёные мира пытаются её скорректировать и уточнить. В своей статье «Уточнение формулировки закона Архимеда» [2], профессор Воронин С.М. указывает, что закон Архимеда в настоящее время имеет несколько формулировок, например: - «на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженного тела и направленная вертикально вверх»; - «тело, погруженное в жидкость, теряет в весе столько, сколько весит вытесненная жидкость»; - «на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной погружённым телом». Более правильное определение закона, считает проф. Воронин С.М., будет: «на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в погружённом объёме тела». Основанием для такого утверждения является предположение, что объем погруженной в воду части тела важнее, чем объем вымещаемой ей воды. Поэтому«для действия силы Архимеда никакая вода в действительности не должна вымещаться телом, оно просто должно быть окружено ею». У авторов данной работы размышление профессора вызвало большой интерес, и было решено провести исследования с целью проверки справедливости предположения, что «для действия силы Архимеда никакая вода в действительности не должна вымещаться телом, оно просто должно быть окружено ею». Результаты проведенных исследований изложены ниже.
Основная часть
1. Парадокс Архимеда
В законе, открытом великим Архимедом более двух с лишним тысяч лет назад, не может быть, полагают многие, каких - либо сюрпризов и неясностей, но «парадоксы» всё же просматриваются и некоторые неясности пока ещё не прояснены. Например, «парадокс Архимеда» указывает, что тело может плавать в объеме воды меньшем, чем объем самого тела, если его средняя плотность меньше, чем плотность воды. Подтверждением этому определению является плавание судна в доке, хотя вес вытесненной судном воды значительно меньше веса судна, рис.1, [4].
Рис.1. Плавание судна в доке.
Считается, что причина гидростатического парадокса состоит в том, что по закону Паскаля жидкость давит не только на дно, но и на стенки сосуда.
В случае судна сила Архимеда равна весу воды в объеме той части судна, которая погружена в воду. Если эта сила больше, чем вес судна, то оно будет плавать. Объяснение парадокса заключается в том, что архимедова сила создаётся гидростатическим давлением, которое зависит не от веса воды, а только от высоты её столба. Как в гидростатическом парадоксе на дно сосуда действует сила весового давления воды, которая может быть больше веса самой воды в сосуде, так и в вышеописанной ситуации давление воды на днище корабля может создавать выталкивающую силу, превышающую вес этой воды.
Таким образом, массивное тело (например, корабль) может плавать в объеме воды намного меньшем, чем объем самого тела, при условии, что вода окружает тело со всех сторон.
2. Экспериментальное исследование плавания стограммовой гири в 20 г. (см3) воды.
Для проверки достоверности сказанного выше, авторы провели экспериментальные исследования возможности плавания массивного тела в объеме воды, вес которой намного меньшем, чем вес самого тела. Целью эксперимента было проверить, действует – ли сила Архимеда на тело, окруженное тонким слоем жидкости т высотой Н, рис.2., где телом, погруженным в жидкость является стакан N1, на дне которого лежит массивный груз.
Рис. 2. Погружение стакана N1 c гирей на дне в стакан N2 с 20г. воды, где: PA - сила Архимеда, RA– реакция силы Архимеда.
Для эксперимента взяли два прозрачных стакана, которые свободно входят один в другой, но между стенками при этом образуется небольшой зазор т по всему периметру, рис.2. В качестве плавающего тела был использован стакан N1 со стограммовой стальной гирей на дне, а в качестве сосуда с жидкостью использовали стакан N2, где было налито 20г. воды высотой h.
Кроме этого, в качестве водоёма была использована прозрачная коробка, наполненная чистой холодной водой плотностью 1г/см3, рис.3.
Задачи и последовательность выполнения эксперимента:
1. Определить глубину погружения стакана N1 с залитой в него 100г. воды и помещенного в водоём, рис.3.;
2. Определить глубину погружения стакана N1 с установленной на его дне гире весом 100г., и сравнить с глубиной погружения этого же стакана со 100г. залитой в него воды (пункт 1), рис. 5;
3. Налить в стакан N2 двадцать грамм (20см3) воды, поместить туда стакан N1, наполненный 100г. воды, и сравнить уровни воды в обоих стаканах, а также измерить зазор между днищами стакана N2 и стакана N1;
4. Налить в стакан N2 двадцать граммов (20см3) воды, на дно стакана N1 установить гирю 100г. и поместить его в стакан N2, после чего зафиксировать уровень воды в стакане N2, а также измерить зазор между днищами стакана N2 и стакана N1;
Рис.3. Рис.4. Рис.5.
Примечание: необходимо проверять при измерениях уровней воды в стаканах наличие зазора между днищами стакана N2 и стакана N1, а также измерять конкретную величину этих зазоров, указывающих на то, что погруженное тело (стакан N1 с залитой в него 100г. воды или с гирей 100г. на дне) точно плавает в 20см3 воды, залитой в стакане N2.
Результаты экспериментов.
Все замеры проводились в указанной ранее последовательности:
1. Измерили глубину погружения стакана N1 с залитой в него 100г. воды и помещенного в водоём, рис.3., которая равна 50мм.;
2. Измерили глубину погружения стакана N1 в воду с установленной на его дне гирей весом 100г. Глубина погружения стакана оказалась равной 50мм. как и при наличии 100г воды в стакане N1 (пункт 1);
3. Налили в стакан N2 двадцать грамм (20см3 ) воды, поместили туда стакан N1, наполненный 100г. воды, и сравнили уровни воды в обоих стаканах, которые оказались на одном уровне, то есть вода в стакане N2 поднялась на высоту 54мм. тонкой плёнкой, а зазор между днищами стакана N2 и стакана N1 составил примерно 3,5мм, рис.4.
4. Налили в стакан N2 двадцать граммов (20см3) воды, на дно стакана N1 установили гирю 100г. и поместили его в стакан N2. После этого сравнили уровни воды в обоих стаканах, которые оказались также на одном уровне, то есть вода в стакане N2 поднялась на высоту 54мм. образуя тонкую плёнку, а зазор между днищами стакана N2 и стакана N1 составил примерно 3,5мм, рис.5.
3. Практическое применение полученных результатов исследований.
Данные исследования, полагают авторы, являются инновационными и могут быть использованы в реальной жизни, например, в лабораторных работах на уроках физики при изучении раздела «гидростатика». Ранее авторами была опубликована работа [5] «Инновационные автомобильные гидростатические весы для неограниченной массы и габаритов взвешиваемого груза», при разработке схемы которых за основу был принят закон Архимеда с формулировкой «на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной погружённым телом». Таккак планировалось взвешивать грузы до 120т., то необходимо было предусмотреть ещё один бассейн рядом для отлива вытесненной понтоном воды на 120м3., что воспринималось оппонентами проекта негативно. Результаты исследований в данной работе позволили по новому подойти к разработке схемы гидростатических весов до 120т. приняв за основу также закон Архимеда, но с другой формулировкой «на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженного тела и направленная вертикально вверх». Это позволило сильно упростить схему (конструкцию) инновационных гидростатических весов для взвешивания огромных грузов с необходимой точностью и долговечностью, рис.6. Как следует из рис.6., до заезда автопоезда на понтон, в бассейне был уровень воды h. После заезда автопоезда уровень воды между стенками бассейна и понтона увеличился на величину Н, и, соответственно, погруженный в воду объём понтона увеличился на величину: V = В*L*H, м3, где: В – ширина понтона. При плотности воды равной 1г/см3, вес объёма воды V = В*L*H, м3, равен величине выталкивающей силы жидкости (силы Архимеда), то есть величине взвешиваемого груза G.
Рис. 6.
Таким образом, при заданных значениях L = 20м; В = 6м; Н =1м., V = 120м3 или: G = 120т. Меняя значения параметров, можно рассчитать весы на нужную грузоподъёмность. Конкретная величина веса груза фиксируется гидроизолированными датчиками давления, рис.6., установленными на дне бассейна, их сигнал передаётся на измерительное устройство (весы, компьютер) контактным или бесконтактным способом. Датчики давления реагируют на действие реакции силы Архимеда RA, равномерно распределённой по поверхности дна бассейна и по модулю равной силе Архимеда РА.[4].
Выводы
Результаты проведенных исследований авторов показали, что предположения профессора Воронина С.М. справедливы, это подтверждается экспериментами. Более верное определение закона Архимеда будет: «на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в погружённом объёме тела», то есть объем погруженной в воду части тела важнее, чем объем вымещаемой ей воды. Поэтому«для действия силы Архимеда никакая вода в действительности не должна вымещаться телом, оно просто должно быть окружено ею». Результаты проведенных исследований подтверждают эти выводы. Авторами данной работы проведены интересные эксперименты, которые показали, что сила Архимеда, действующая на погруженное тело, может быть больше, чем общий вес сосуда с жидкостью. Возникает вопрос. Сможет - ли сосуд с привязанным к его дну телом оторваться от стола? А если нет, то почему? Вопрос студенту.
Список цитируемых публикаций
1. Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд.- М.: Дрофа, 2013г, стр.144—150, Архимедова сила;
2. Воронин С.М.Уточнениеформулировки закона Архимеда.ФБГОУ ВПО "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия", Россия; 2011;
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.. Климашевский С. Парадокс закона Архимеда // Наука и Жизнь : журнал. — 2010. — Декабрь (№ 12). — С. 88—89. — ISSN 0028-1263;
5. Осипов М.А., Тимохин А.А. Инновационные автомобильные гидростатические весы для неограниченной массы и габаритов взвешиваемого груза. Сборник статей XV11 Международной научно-практической конференции. – Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение».2021.