Каково физическое происхождение плавучести?

Представьте себе горизонтальное сечение Δ С цилиндра с жидкостью плотностью р . Нисходящее давление на Δ С на глубине г с поверхности жидкости находится п г о ж н "=" р г г . Это прекрасно и интуитивно понятно. Но есть и восходящее давление равной величины п ты п "=" р г г .

Ясно, что есть жидкость веса р г г оказывать давление вниз на Δ С . Что оказывает восходящее давление той же величины снизу? Ясно, что это аптраст. Можно показать (не объяснить), основываясь на принципе Архимеда и плавучести (или рассматривая статическое равновесие), что эта тяга также будет иметь величину р г г . Но разве это не противоречит здравому смыслу? Почему жидкость должна оказывать восходящее усилие, когда вес р г г Δ С сидит выше Δ С ? Извините, если вопрос не ясен.

Ответы (3)

«Жидкость наверху» не может быть неподвижной, если только она не ускоряется. Когда он неподвижен и не ускоряется, ньютоновская механика требует нулевой общей силы, а это (при наличии гравитации) происходит только в том случае, если на жидкость действует направленная вверх сила.

В случае с моим чаем эта сила воздействует на дно чайной чашки, а посередине — на чай под ней (который представляет собой слегка сжатую жидкость). Если убрать чашку с чаем или дать чаю вытечь, уровень жидкости ускорится и пойдет вниз.

Жидкость под давлением сжимается, и это сжатие, подобно сжатию пружины, заставляет ее создавать силу, которую мы называем «давлением жидкости», на жидкость сверху, дно и боковые стенки чашки.

Давление не имеет направления, это сила, возникающая в результате давления, имеет направление.

Представьте, что ваш цилиндр с жидкостью площадью горизонтального сечения Δ С и высота час был удален, и вас попросили найти силы, которые нужно приложить к остальной жидкости, чтобы ни одна из оставшейся жидкости не попала в пустоту.
По бокам пустоты будут действовать горизонтальные силы, а на торцевые крышки — вертикальные силы.

Восходящая сила, действующая на жидкость вверху, должна быть г р г Δ С и направленная вниз сила на жидкость на дне будет ( г + час ) р г Δ С .

Теперь жидкость действует на "пустоту" равные по величине и противоположные по направлению силы - третий закон Ньютона.

Таким образом, чистая направленная вверх вертикальная сила, действующая на «пустоту», равна ( г + час ) р г Δ С г р г Δ С "=" час р г Δ С что является величиной веса (нисходящей силы из-за гравитационного притяжения Земли) жидкости, которая первоначально заполнила пустоту.

Таким образом, когда в пустоте есть жидкость, результирующая сила, действующая на эту жидкость, равна нулю, т. е. она находится в статическом равновесии.

Таким образом, как вы сформулировали свой вопрос, теперь рассмотрим, что происходит, когда высота цилиндра жидкости час становится все меньше и меньше.
Не много - все еще существует состояние статического равновесия с весом жидкости в цилиндре, равным восходящей силе из-за окружающей его жидкости.

Наполните большую ванну пластиковыми шариками и камнями одинакового размера. Что будет, если немного встряхнуть?

Все более легкие пластиковые шарики будут летать более ярко, а камни меньше двигаются из-за их большей массы. Таким образом, камни в конечном итоге занимают самые нижние позиции, а пластиковые шарики в конечном итоге поднимаются наверх. Таким же образом подумайте о молекулах жидкости:

  • Если они светлее, то в итоге окажутся сверху. Это приводит к опусканию тяжелых предметов, так как частицы воды под ними будут отделяться и отжиматься от нижней части объекта.
  • Если они тяжелее, они в конечном итоге упадут на дно, толкая вверх все, что легче. Это плавучесть, поскольку более легкие объекты уступают, когда более тяжелые частицы воды сжимаются с боков к нижней части объекта.