Атмосферное давление. Закон Архимеда и плавание тел

Земля окружена воздушной оболочкой — атмосферой, простирающейся на сотни километров вверх. Молекулы газов атмосферы обладают массой и притягиваются к Земле гравитацией.

Верхние слои атмосферы своим весом сжимают нижние слои, создавая давление воздуха на земную поверхность и все находящиеся на ней тела. Это давление называют атмосферным давлением.

В 1643 году итальянский физик Эванджелиста Торричелли впервые экспериментально измерил атмосферное давление с помощью стеклянной трубки со ртутью. Давление атмосферы уравновешивает столб ртути высотой около 760 мм.

Для измерения атмосферного давления применяют специальные приборы — барометры.

1. Ртутный барометр — жидкостный лабораторный прибор высокой точности на основе трубки Торричелли со шкалой в миллиметрах.

2. Барометр-анероид («безжидкостный») — компактный механический прибор, безопасный в повседневном использовании. Главная деталь анероида — тонкостенная гофрированная металлическая коробочка, из которой откачан воздух. При росте атмосферного давления коробочка сжимается, а при падении — расширяется внутренней пружиной. Рычажный механизм передает деформацию на стрелку шкалы.

С подъемом над поверхностью Земли толщина вышележащего воздушного столба уменьшается, а сам воздух становится более разреженным. Поэтому атмосферное давление с высотой закономерно падает.

Вблизи поверхности Земли (в нижних слоях тропосферы до 1 км) давление уменьшается примерно на 1 мм рт. ст. (или около 133 Па) на каждые 12 метров подъема (барометрическая ступень).

Прибор анероидного типа со шкалой, проградуированной непосредственно в метрах высоты, называют высотомером или альтиметром. Альтиметры обязательно устанавливаются на всех самолетах и вертолетах.

На любое тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх против силы тяжести. Эту силу называют силой Архимеда (F_A).

Причина возникновения силы Архимеда: гидростатическое давление жидкости растет с глубиной (p = ρ·g·h). Поэтому сила давления жидкости на нижнюю грань погруженного тела (F_нижн = p_нижн · S) всегда строго больше силы давления на верхнюю грань (F_верхн = p_верхн · S). Результирующая разность сил направлена вверх:

F_A = F_нижн - F_верхн = ρ_ж · g · V_погр.

Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, численно равная весу жидкости (или газа) в объеме погруженной части этого тела.

Поведение погруженного в жидкость тела определяется соотношением между силой тяжести (F_тяж = m·g) и выталкивающей силой Архимеда (F_A = ρ_ж·g·V):

1. Тело тонет (опускается на дно), если сила тяжести больше силы Архимеда: F_тяж > F_A (или средняя плотность тела больше плотности жидкости: ρ_тела > ρ_ж).

2. Тело плавает внутри жидкости на любой глубине (в равновесии), если силы равны: F_тяж = F_A (ρ_тела = ρ_ж, как у подводной лодки с заполненными балластными цистернами).

3. Тело всплывает на поверхность, если выталкивающая сила преобладает: F_A > F_тяж (ρ_тела < ρ_ж). При выходе из жидкости объем погруженной части уменьшается, пока не установится равновесие: F_A = F_тяж.

Плавание судов: стальной корабль массой в десятки тысяч тонн плавает благодаря полому корпусу, заполненному воздухом. Средняя плотность корабля значительно меньше плотности воды. Глубину погружения судна в воду называют осадкой, а предельную линию осадки — ватерлинией.