Что такое плавучесть?

Я видел ответы, которые ссылаются на третий закон Ньютона как на причину выталкивающей силы.

Не совсем.

Я думал, что все силы жидкости возникают из-за случайного движения частиц.

Это верно.

Позвольте мне попытаться объяснить, как возникает выталкивающая сила.

Здесь есть ключевые игроки: сила гравитации и давление жидкости. Жидкость под действием силы тяжести имеет градиент давления по вертикали.

В состоянии равновесия жидкость на глубине$d$должен оказывать восходящее давление, равное давлению из-за веса жидкости над ним.$\rho gd$,$\rho$это плотность жидкости.$\rho gdA$это вес жидкости выше и деля на площадь, мы получаем давление.

Итак, давление на глубине$d$

Предположим, что кубический объект длины$L$полностью находится в жидкости.

Что же тогда является условием равновесия. На верхнюю поверхность этого предмета сверху вниз действует давление с соответствующей силой, равной

Если объект частично погружен в жидкость, то вывод аналогичен и дает аналогичный результат.

Позволять$h$быть глубиной, на которую погружен объект. Тогда сила давления, оказываемого жидкостью вверх, равна

Если объект должен плавать, то сила должна быть равна силе тяжести, действующей на объект.

Глубина, на которой это происходит,

Следуя принципу Архимеда, когда тело погружено в жидкость, оно вытесняет количество воды, эквивалентное погруженному объему.

Что это означает для плавучести? Представьте себе следующие ситуации:

Наш объект тянется вниз под действием силы тяжести, определяемой выражением

Предполагая, что два объекта имеют одинаковый объем, более плотный объект будет испытывать большую силу гравитации и, следовательно, потребует большей силы реакции, чтобы быть нейтрализованным. В первое мгновение, когда тело соприкоснется с водой, оно начнет тонуть, т.к.$F_g$больше, чем сила реакции воды. Однако по мере того, как он все больше и больше тонет, вытесняется им все больший объем воды, и сила реакции возрастает. После смещения достаточного объема сила реакции будет равна$F_g$и объект останется в равновесии. Это может произойти, когда объект не полностью затонул, как в ситуации (а), или когда он полностью затонул, как в ситуации (б). Также возможно, что объект слишком тяжелый и не может вытеснить достаточное количество воды из-за своего относительно небольшого объема, поэтому он опускается на дно.

Вот так плавают корабли! Корабли невероятно тяжелы, но они спроектированы так, чтобы вытеснять достаточно большое количество воды, которое точно уравновешивает вес корабля, и, таким образом, он может оставаться в равновесии на плаву.

В заключение, ускорение объекта равно нулю, если оно находится в равновесии, что происходит, если$F_g$равна силе, действующей на воду. На самом деле, вы можете точно рассчитать, насколько объект утонет:

Анализируя это, мы видим, что объект может находиться в равновесии, как в (а), если он менее плотный, чем вода. Таким образом, перемещенный объем будет меньше объема объекта. Если плотности равны, то он может оставаться в равновесии, как в ситуации (б). Если он более плотный, то не сможет вытеснить достаточное количество воды и утонет.

Надеюсь, это ответит на ваш вопрос

Жидкости представляют собой деформируемые, динамические системы с постоянным объемом. Положение атомов/молекул жидкости относительно друг друга постоянно меняется во времени. Тем не менее, это постоянное (во времени) среднее конечное расстояние между ними (длина «среднего свободного пробега») при данной температуре.$T$.

Когда объект помещается на поверхность жидкости, жидкость не начинает оказывать нормальную силу на объект. Это связано с тем, что в отличие от твердого тела, где межмолекулярные силы заперли компоненты в жесткую структуру и, следовательно, в конечном итоге сопротивляются деформации, которую масса пытается произвести (таким образом создавая нормальную силу), в жидкости атомы / молекулы урожай. Вот почему никакая масса с весом не может оставаться на поверхности классической жидкости.

Поскольку на массу действует гравитационное поле, она тонет в жидкости. Погружаясь, он пытается вытеснить жидкость из объема, в который он погружается.
Почему смещается? Потому что атомы/молекулы жидкости не могут проникнуть в массу и просочиться в ее промежуточное пространство.
Поскольку жидкость имеет конечный объем (представьте себе наполовину заполненное ведро воды), вытесненная жидкость вытесняется таким образом, что ее потенциальная энергия в поле увеличивается (представьте себе поднятый уровень воды). Почему жидкость вытесняется только таким образом? Потому что жидкость несжимаема.

В любом случае, поскольку энергия жидкости увеличилась во внешнем консервативном поле, на жидкость должна была воздействовать сила . Откуда взялась эта сила? Было ли это вызвано объектом? Да, но не напрямую. Поскольку атомы/молекулы смещались в более высокие позиции в поле, нужно было проделать работу, чтобы поднять их. Рассмотрим атомы/молекулы, находящиеся в прямом контакте с жидкостью. Тонущий объект, ударяясь о молекулы жидкости, отвечает за «убирание их со своего пути». А как насчет других атомов/молекул? (представьте себе воду у стенки ведра). Они выталкиваются из-за природы жидкости «я не собираюсь сжимать» (межмолекулярные силы).

Поскольку объект воздействовал на жидкость силой, жидкость пытается сопротивляться этому, воздействуя на массу с противоположной силой. Вот где третий закон Ньютона нужен, если вообще нужен. Почему это так? Потому что жидкость переводится в состояние с более высокой энергией. Из этого состояния гравитация пытается опустить его в состояние с более низкой энергией.

А как насчет того, что все это происходит на каком-то уровне атом-атом или молекула-молекула? Как это переводится в макроскопическую выталкивающую силу, которую испытывает объект? Теоретически, поскольку сила является векторной величиной и применяется суперпозиция, результирующая сила представляет собой просто сумму всех таких сил. Центр масс$M=\rho_{M}V_{M}$тонет мимо$h$в постоянном (предполагаемом) гравитационном поле$g$при этом центр масс$M_{fluid}=\rho_{fluid} V_{displaced}=\rho_{fluid} V_{M}$получает эту потенциальную энергию.
Качественно выталкивающая сила - это просто вес поднятой массы жидкости, пытающейся «опуститься», толкая массу обратно «вверх».
Вес$F$перемещенной массы

Обратите внимание, что сила ($=-\nabla V$) определяется только ростом потенциальной энергии жидкости. Для несжимаемых жидкостей и массы это зависит только от их плотности, а не от площади поверхности или формы массы или глубины погружения в жидкость.

Почему нет массы($\rho_{M}<\rho_{fluid)}$продолжать тонуть? Потому что масса избыточной (по сравнению с равновесной) поднятой жидкости выталкивает ее обратно «вверх».
Почему держится ($\rho_{M}>\rho_{fluid}$) тонет? Поскольку объект теперь полностью погружен в воду, жидкости для подъема больше нет. Однако веса «поднятой» жидкости недостаточно, чтобы удержать объект на плаву. Так что он испытывает старое доброе гравитационное ускорение, хотя и уменьшенное плавучестью.

Позвольте мне сначала сказать вам одну вещь. Плавучесть — это сила, действующая на тело только потому, что жидкость не позволяет себе деформироваться из-за веса тела. Теперь позвольте мне привести пример, если у меня есть тело, имеющее плотность меньше, чем плотность жидкости, тело плавает. Это потому, что вес тела не больше, чем вес воды того же веса, что и тело. Так вода не дает себя деформировать. Надеюсь, это поможет вам.